物理教室年次研究報告書
2006年度

大阪市立大学大学院理学研究科・理学部
物理学教室

目次
序

1

2006 年度 物理学教室談話会

2

研究報告
物性物理学講座
超低温物理学研究室
光物性物理学研究室
生体・構造物性研究室
素励起物理学研究室

3
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宇宙・高エネルギー物理学講座
宇宙線物理学研究室
高エネルギー物理学研究室
重力波実験物理学研究室
宇宙・素粒子実験物理学研究室

28
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基礎物理学講座
素粒子論研究室
数理物理研究室
宇宙物理研究室
原子核理論研究室

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64

序
２００７年も秋を迎え、２００６年度の主任として、法人化元年となった激動の一年を思い起こし、筆を執っています。物理教室の皆様のこの一年の研究・教育生活は如何でしたでしょうか。何年か後或いは退職後振り返って見て、充実した思い出深い一年であったと言えるものであればいいですね。
２１世紀に入って早６年が経過し、我々を取り巻く環境は、刻々と着実にそして時には予期しない方向へと変化しています。人事凍結に代表される市の財政難等、我々に吹き付ける向かい風は一向に収まる様子を見せません。不慣れ、適性無しの小生の主任業
も、図書赤字及び差引簿赤字の連動解消等マニュアル無しの課題続きで、学科・研究科
運営業務が量・質共に極限に達している事を体感させられる一年でした。すぐ近い将来にも、理学部再編、新学舎建設等痛みを伴わずには通過できない難題が待ち構えています。
ですがここで敢えて目の先を我々自身に転じてみましょう。近年の年次報告が教えてくれるように、ここ数年間に於ける我々の研究業績の増大には著しいものがあります。
これと呼応し、大学院生の日本学術振興会特別研究員への採用も定常的に起こり始めています。
年度末に発表された英国タイムズ紙の別冊 THES に於いて、本学は日本の大学中第十二位にランクされています。本学の規模を考慮に入れる時、この事実は誇りに思って良い事であり、物理学科の貢献が小さくないことを我々は良く知っています。物理学科教員の多くが、日本の物理学の中核を担っている、国内外を問わず著名なそして活動的な研究者です。本年度は坪田誠教授が大阪科学賞を受賞されました。本年度初めて行われた物理学科年末研究発表会で述べ、戦後間もない混乱期、扇町小学校に間借りしていた
我々の先人達が実証してくれたテーゼを繰り返します。
「人間の知性は困難な状況に於いてより大きく開花する。」
いかなる困難にも泰然と構え、自らのなすべき事を超然と遂行する科学的精神を、我々は既に持ち合わせています。
本年度末、川上三郎教授、三浦輝夫助手の二先生が定年退職され、赤井一郎助教授が熊本大学衝撃・極限環境研究センターへ教授として栄転されました。三氏の、長年にわたる本学に於ける研究・教育活動に対して、深い敬意・感謝の念を奉げると共に、新しい環境でのこれからの人生の発展を祈念してやみません。後任新規採用が適わない現状に於いて、同僚として三名の方々を失った我々物理学科教員の痛みは、少なからざるものがあります。先輩達が築き上げてきた教員活動が疎かにならぬよう気を引き締めて、またしばしば恣意的に導入される新しいアイデアにも柔軟に対応して、向かっていかね
ばなりません。
最後に、本年度年次報告作成に尽力されました石川修六氏に感謝致します。
２００７年１１月
２００６年度物理学教室主任
糸山 浩司

1

2006 年度 物理教室談話会
世話人：中尾，杉崎, 神田
第１回新入生歓迎談話会
日時：４月１4日 (金)場所：学術情報センター10F大会議室
講師：神田 展行 氏 (重力波実験物理学研究室)
題目：「重力は物理と宇宙のフロンティア−重力波検出実験−」
第２回物理教室談話会 （大阪科学賞受賞記念講演会）
日時：10月20日（金）場所：学術情報センター10F大会議室
講師：坪田 誠 氏 （素励起物理学研究室）
題目：「量子乱流−もうひとつのダ・ヴィンチ・コード−」
第３回物理教室談話会
日時：３月１６日（金）場所：学術情報センター１F文化交流室
講師：川上 三郎 氏 （宇宙線物理学研究室）
題目：「私の宇宙線研究あれこれ」
講師：赤井 一郎 氏 （光物性物理学研究室）
題目：「半導体〜デンドリマーの光物性、そして火の国へ」

2

超低温物理学研究室

畑徹教授石川修六助教授
矢野英雄助教授
小原 顕
講師

石黒亮輔(博士研究員)
後藤 塁(博士研究員)
嘉戸隆介(D1)
永合祐輔(M2)

橋本直人(M2)
乾 昌広(M1)
加藤千秋(M1)
三尾秀星(M1)

研究概要
1. 超流動ヘリウム３中のエアロジェルの不純物効果
超低温度ではヘリウム以外の物質は固化し、また液体状態であるヘリウム４はヘリ
ウム３とは相分離するために、ヘリウム３に不純物を入れることができない。この結果、
超流動ヘリウム３の研究は完璧な純粋物質としての研究の場であった。エアロジェルは
直径数ｎｍのシリカの紐が平均間隔数ｎｍから１００ｎｍの広い範囲で分布していて、体積に占めるシリカの割合は数％のものである。シリカの紐の平均間隔は超流動ヘリウ
ム3のコヒーレンス長と同程度であるために、超流動性が完全に壊れることはなく、純粋な系に入った僅かな不純物として振る舞う。
1-1. ＮＭＲ法によるエアロジェル中の超流動ヘリウム３の相転移現象の研究（矢野、石川、畑、嘉戸）空孔率９７.５％エアロジェル（不純物２.５％）を用いて、核磁気共鳴法(NMR)
により超流動相の秩序構造の同定と超流動状態の安定性について調べた。いくつかの
圧力下で観測された２つの超流動相での共鳴周波数の温度変化よりエネルギーギャッ
プの圧力変化に対する振る舞いがわかり、超流動は8bar以下の圧力では出現しないことがわかった。同時にエネルギーギャップの抑制が高温相では20分の1、低温相では3分の1となっていることがわかった。高温相が大きな抑制となっていることは明らかではないが新しい相の可能性を示唆するものである。磁場勾配下でのNMRより、２つの相の共存時にセル内で巨視的な相分離が起こっていることを世界で初めて明らかにした。共存は１次相転移の特徴である。これまで超流動ヘリウム３の中では、均一ではない（不均一な）核生成が起こることが示されてきた。その原因となることはいく
つか考えられていたが、今回の測定はそれらとは違う原因を示すものである。核生成が超流動ヘリウム３固有のtextureと関係することを示唆する。
1-2. 第４音波法によるエアロジェル中の超流動ヘリウム３の不純物効果（小原、石川、
永合、加藤）
エアロジェル中の超流動ヘリウム３の第４音波の音速測定から超流動密度、エネ
ルギー損失の機構を明らかにするために、焼結銀中にエアロジェルを直接成長させた共鳴装置を用いて実験を行っている。今回はさらに、自励共鳴による連続的な音速測定法を導入し、また高圧での測定に特化して実験を行った。その結果、ＮＭＲ測定で観測されたものと同様な超流動相間の履歴を伴う１次相転移（等方的な低温相と異方的な高温相への転移）とその共存状態を、よりはっきりと観測することに成功した。
また、エアロジェルのない焼結銀のみのセルでも実験を行ったが、相転移にともなう信号変化は全く現れない、すなわち超流動密度・損失ともに単調変化であった。これはエアロジェルの存在が異方性を顕著にすることを意味している。また、エアロジェ
ルがある場合は、損失の温度変化は両者で著しく異なる。転移温度直下を除いて、低温度相ではほぼ一定の損失であるが、高温度相では低温で損失が増大する。損失が温度変化しないことは、ヘリウム準粒子の平均自由行程の上限がシリカの紐間隔で制限3されるためであることを示唆している。一方、高温度相の損失増大の温度変化を説明する理論はないが、超流動転移後も大量に熱励起されている準粒子の粘性の温度変化が凝縮による粘性減少よりも強く表れているものと解釈できる可能性がある。
2. 振動流中における超流動ヘリウム４量子渦のダイナミクスと乱流遷移（矢野、石川、畑、後藤、橋本、乾、三尾）
超流動ヘリウム中の超流動速度場は位相の勾配で厳密に与えられ、渦は秩序変数０の渦芯（半径~１Å）とそのまわりを位相が２π変化する流れで構成され量子化される。
このため量子渦は、渦芯を糸と見なした準安定な構造を持つ。渦糸の端は超流動中では存在せず、端のないリング構造か、両端が壁に付着した構造をとる。リング構造の渦糸は消失するが、両端が壁に付着した渦糸はそのまま残り残留渦と呼ばれている。超流動
相転移に伴って生成される残留渦は常に壁に付着するため、超流動中の振動子は50mm/s程度の遅い振動速度で乱流状態を作ることができる。
我々は、超伝導極微細線（NbTi3μm直径）を超流動4 He中で振動させ、乱流遷移と振動子に付着する残留渦との関係を調べている。本年度は、振動子に付着する残留渦の除去を試みた。振動子まわりの液体4 Heが超流動相転移しないように、振動子を直接超流動に浸し、また超流動中に浮遊する渦糸をfilteringする。この結果、振動子を1m/s以上の速い速度で振動させても乱流遷移せず、世界で初めて振動子が乱流遷移を起こさない状態を作ることに成功した。この状態に渦糸を導入し、振動子に付着させると、振動子は乱流遷移を起こした。渦糸が振動子に付着する前後の状態を比較し、乱流遷移が、振動子とまわりの壁との間を結ぶ渦糸によって引き起こされることを明らかにした。
超流動相転移の通過速度を制御することで、振動子とまわりの壁との間の渦糸を制御することができる。我々は、多数の渦糸を振動子に付着させると、振動子に非線形的な応答が現れることを見いだした。この非線形的な応答は、60mK以下の低温でのみ現れる。この温度域では、超流動中の熱励起（フォノンなど）はほとんどない。このことは渦糸の非線形的な運動状態、たとえば渦糸上に立つケルビン波などが関与すると考えられるが、渦糸の運動状
態やその温度変化は今後の課題である。
３．回転する超流動ヘリウム３の研究（物性研、京大、福井大との共同研究。）（石川）東京大学物性研究所に相互協力により完成したサブmK温度域の超低温度回転クライ
オスタットを用いて量子流体力学の研究を行っている。昨年度に、回転機構の改良を行い、本装置が記録している世界最高速度（毎秒１回転）をさらに凌ぐ、毎秒1.5回転での回転実験が可能となった。次のプロジェクトについて研究を行った。
細い円筒容器内（直径200µｍ）にある超流動ヘリウム３—Ａ相の量子渦の研究を核磁気共鳴法により行った。これまでのプロジェクトで、１５０本の円筒容器からなる試料セルでの測定より、定常的な回転に対する渦の侵入と撤退の様子が明らかになり、量子渦が同定されていた。しかし得られる信号は１５０本からの重ね合わせであり、個々の渦の挙動を議論することはできなかった。昨年度は直径200µｍの１本の円筒容器だけからなる試料セルを製作し、１本の渦からの信号を捉えることに世界で初めて成功した。
今後、回転渦の容器内での運動が明らかになるものと期待される。

４．寒剤を用いない希釈冷凍機の開発（畑、矢野、小原）
１K以下の温度を得る手段として用いられている希釈冷凍機は、従来、液体ヘリウ
ムの４K、およびそれを減圧した１Kをベース温度として製作されてきた。例えば液体ヘリウム３−４混合液の性質を利用した希釈冷凍機では、循環ヘリウム３ガスの液化がこの１Kの温度ではじめて達成されるからである。液体ヘリウムを用いる希釈冷凍機では、
液体ヘリウムの継続的な供給を手作業で行わなければならないなど、その操作には一定の熟練を要すると同時に、ヘリウム資源の消費をもたらしている。別の冷凍機で循環ヘリウム３ガスを冷却する希釈冷凍機では、循環ヘリウム３自身にジュール・トムソン膨4張をさせることによって、ベース温度を得るとともにヘリウム３ガスの液化が可能となることはわかっていた。しかし、その製作には希釈冷凍機を製作してきた経験が必要とされ、実用に耐えるものができなかったのが実情だった。今回、我々は本研究室に蓄積されている希釈冷凍機製作のノウハウをもとに、米国とほぼ同時期に日本で初めて寒剤を用いない希釈冷凍機の製作に成功した。
開発した希釈冷凍機は、液体ヘリウムの代わりにパルス管冷凍機を用い、電気的操
作のみで自動運転を可能とした世界にも例のない画期的なものである。また、ヘリウムガスを閉じこめて使用するために消費もほとんどなく、資源保全の意味（ヘリウムガス
は１００％輸入）でも貢献できる。コンパクト、簡単操作、資源保護の側面考えると、
今後はすべてこのタイプに置き換わっていくことが期待される。

教育・研究業績
学術論文
1. M. Kubota, Y. Kataoka, M. Yamashita, K. Izumina, and O. Ishikawa, “Vortex State of 3He-A
Studied by NMR Linewidth ”; 24th International Conference on Low Temperature Physics(LT24) AIP Conf. Proc. 850, 183-184 (2006)
2. M. Yamashita, K. Izumina, A. Matsubara, Y. Sasaki, O. Ishikawa, T. Takagi, M. Kubota, andTakao Mizusaki, “Rotating Superfluid 3He-A in Parallel-Plate Geometry”; 24th International
Conference on Low Temperature Physics (LT24) AIP Conf. Proc. 850, 185-186 (2006)
3. H. Yano, A. Handa, M. Nakagawa, K. Obara, O. Ishikawa, and T. Hata, “Study on the Turbulent
Flow of Superfluid 4He Generated by a Vibrating Wire”, 24th International Conference on Low
Temperature Physics (LT24) AIP Conf. Proc. 850, 195-198 (2006)
4. K. Obara, Y. Nago, H. Yano, O. Ishikawa, T. Hata, H. Yokogawa, and M. Yokoyama“Hydrodynamic property of Oscillating Superfluid 3He in Aerogel”, 24th International Conference
on Low Temperature Physics (LT24) AIP Conf. Proc. 850, 231-232(2006).
5. O. Ishikawa, R. Kado, H. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, T. Hata, H. Yokogawa, and M.
Yokoyama; “A-B Phase Transition and Pinning of Phase Boundary of Superfluid 3He in
Aerogel”, 24th International Conference on Low Temperature Physics (LT24) AIP Conf. Proc.
850 233-234(2006)
6. O. Ishikawa, R. Kado, H. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, T. Hata, H. Yokogawa, and M.
Yokoyama; “Pulsed NMR Measurements in Superfluid 3He in Aerogel of 97.5% Porosity”, 24th
International Conference on Low Temperature Physics (LT24) AIP Conf. Proc. 850 235236(2006)
7. H. Yano, N. Hashimoto, A. Handa, M. Nakagawa, K. Obara, O. Ishikawa, and T. Hata：“Motions of quantized vortices attached to a boundary in alternating currents of superfluid 4He”,
Phys. Rev. B 75, 012502(1–4) (2007).

国際会議講演
1. H. Yano：“Turbulent flow of superfluid 4He generated by a vibrating wire” (invited talk),
Quantum Phenomena at Low Temperatures ̲ULTI Users Meeting, 21-26 April 2006, Lammi
Biological Station, Finland
2. H. Yano：“Motions of quantized vortices in turbulent flow generated by a vibrating wire” (talk),
Informal meeting on quantum turbulence in International Symposium on Quantum Fluids andSolids – QFS2006, 1-6 August 2006, Kyoto University, Japan
3. O. Ishikawa：“Phase Transition of Superfluid 3He in Aerogel by NMR and Sound Experimetns”(talk), Informal meeting on Liquid 3He in Aerogel in International Symposium on Quantum
Fluids and Solids – QFS2006, 1-6 August 2006, Kyoto University, Japan

5

4.

R. Kado, H. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“Phase Transition ofSuperfluid 3He in Aerogel”(poster), International Symposium on Quantum Fluids and Solids –QFS2006, 1-6 August 2006, Kyoto University, Japan
5. Y.Nago K. Obara, R. Kado, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata ：“Fourth Sound Measurement ofSuperfluid 3He in Aerogel”(poster), International Symposium on Quantum Fluids and Solids –QFS2006, 1-6 August 2006, Kyoto University, Japan
6. N. Hashimoto, A. Handa, M. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：
“Switching Phenomena between Laminar and Turbulent Flow of Superfluid 4He Generated by aVibrating Wire” (poster), International Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2006, 16 August 2006, Kyoto University, Japan
7. T. Kunimatsu, K. Izumina, T. Sato, A. Matsubara, Y. Sasaki, O. Ishikawa, M. Kubota, Yu.M.
Bunkov and T. Mizusaki：“Textures of Superfluid 3He A-like and B-like Phases in Aerogel under
Rotation” (poster), International Symposium on Quantum Fluids and Solids – QFS2006, 1-6
August 2006, Kyoto University, Japan
8. O. Ishikawa: “Phase Transition of Superfluid 3He in Impurity Aerogel” (talk), International
Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena, Dec. 6 2006, Osaka City
University, Osaka, Japan
9. N. Hashimoto, A. Handa, M. Nakagawa, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata：“Switching Phenomena between Laminar and Turbulent Flows of Superfluid 4He Generated by aVibrating Wire”(poster) International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent
Phenomena, Dec. 6 2006, Osaka City University, Osaka, Japan
10. R. Kado, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata ：“Phase Transition of Superfluid 3He in
Aerogel”(poster), International Workshop on Photosynthetic Antennae and Coherent Phenomena,
Dec. 6 2006, Osaka City University, Osaka, Japan
11. Y. Nago, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata “Fourth Sound Measurement ofSuperfluid 3He in Aerogel”(poster), International Workshop on Photosynthetic Antennae andCoherent Phenomena, Dec. 6 2006, Osaka City University, Osaka, Japan

学会・研究会講演
1. 小原 顕：「エアロジェル中の3HeのＡ相Ｂ相共存状態」
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
A03＆A04 研究項目合同ワークショップ：２００６年５月２５日~２７日 関西セミナーハウス
2. 石川修六：「Intrinsic Angular Momentum（実験）」文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
A03＆A04 研究項目合同ワークショップ：２００６年５月２５日~２７日 関西セミナーハウス
3. 矢野英雄：「液体ヘリウムの量子渦」
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
A03＆A04 研究項目合同ワークショップ：２００６年５月２５日~２７日 関西セミナーハウス
4. 嘉戸隆介、小原顕、矢野英雄、石川修六、畑徹：「Phase Transition of Superfluid 3He in
Aerogel」
日本物理学会２００６年秋季大会２００６年９月２３日~２６日 千葉大学
5. 永合祐輔、嘉戸隆介、小原顕、矢野英雄、石川修六、畑徹：「第4音波共鳴法を用いた
Aerogel中超流動3HeのAB共存状態」
日本物理学会２００６年秋季大会２００６年９月２３日~２６日 千葉大学
6. 三尾秀星、後藤累、橋本直人、小原顕、矢野英雄、石川修六、畑徹：「振動流による4He

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量子乱流遷移の周波数変化」
日本物理学会２００６年秋季大会２００６年９月２３日~２６日 千葉大学
國松貴之、泉名健、佐藤年祐、山下穣、松原明、佐々木豊、石川修六、久保田実、水崎隆雄、Y.Bunkov：「エアロジェル中の回転超流動ヘリウム３におけるＨＰＤ測定Ⅲ」
日本物理学会２００６年秋季大会２００６年９月２３日~２６日 千葉大学
石川修六：「Superfluid 3He in aerogel and in a narrow cylinder」
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
矢野英雄：Generation of Quantum Turbulence by a Vibrating Wire in Superfluid 4He
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
小原 顕 他：「Turn Around Experiments of Superfluid 3He in Aerogel」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
國松貴之 他：「Coherent Magnetization Precession of superfluid 3He in aerogel」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
永合祐輔 他：「Energy Loss of 4th Sound in Superfluid 3He」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
嘉戸隆介 他：「A-B Phase Transition of Superfluid 3He in Cylindrical Aerogel」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
橋本直人 他：「Generation and Detection of Quantum Turbulence by a Vibrating Wire in
Superfluid 4He」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
後 藤塁 他 ：「 Frequency dependence of Transition Velocity of Quantum Turbulence inOscillatory Flow of Superfluid 4He」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
泉名健 他：「NMR study of superfuid 3He in anisotropic aerogel」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
石黒亮輔 他：「NMR Measurement of a quantized Vortex of Rotating Superfluid 3He-A in aSingle Narrow Cylinder」(poster)
文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理」
研究成果報告会 ２００６年１２月１４~１６日淡路夢舞台国際会議場
嘉戸隆介、中川久司、小原顕、矢野英雄、石川修六、畑徹：「Aerogel中超流動3HeのAB共存と相変換」
日本物理学会２００７年春季大会２００７年３月１８日~２１日 鹿児島大学
永合祐輔、加藤千秋、小原顕、矢野英雄、石川修六、畑徹：「Aerogel中3He超流動相における第4音波のエネルギー損失」
日本物理学会２００７年春季大会２００７年３月１８日~２１日 鹿児島大学
畑徹 ：「寒剤を用いない希釈冷凍機」（シンポジウム招待講演）
日本物理学会２００７年春季大会２００７年３月１８日~２１日 鹿児島大学
橋本直人、後藤塁、小原顕、矢野英雄、石川修六、畑徹：「Vibrating Wireによる超流動4He中の乱流遷移」

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日本物理学会２００７年春季大会２００７年３月１８日~２１日 鹿児島大学
22. 後藤累、橋本直人、小原顕、矢野英雄、石川修六、畑徹：「Vibrating wire法による超流動4He中のVortex tangleの生成と検出」
日本物理学会２００７年春季大会２００７年３月１８日~２１日 鹿児島大学
23. 石黒亮輔、泉名健、久保田実、石川修六：「狭い一本の円筒容器内の超流動ヘリウム３のＮＭＲによる研究」
日本物理学会２００７年春季大会２００７年３月１８日~２１日 鹿児島大学
24. 泉名健、石黒亮輔、久保田実、石川修六：「狭い一本の円筒容器内の超流動ヘリウム３の量子渦」
日本物理学会２００７年春季大会２００７年３月１８日~２１日 鹿児島大学

学位論文
修士論文
1. 橋本直人：「振動流における超流動4Heの乱流遷移」
2. 永合祐輔：「第４音波共鳴法を用いたAerogel中超流動3HeのＡＢ相転移の研究」

研究助成金取得状況
1. 畑徹：受託研究：岩谷瓦斯株式会社「希釈冷凍機の開発」１００万円
2. 畑徹：科学技術振興機構先端計測分析技術・機器開発事業：「大気浮遊粒子用傾向Ｘ線分析装置の開発」２００６年度分１１５万円
3. 矢野英雄：基盤研究（Ｃ）「振動流による超流動ヘリウム４量子渦の形成・成長過程の研究」２００６年度分９０万円
4. 石川修六：特定領域研究「 スーパークリーン物質で実現する新しい量子凝縮相の物理 」
計画研究「超流動ヘリウム３の異方的秩序変数とその制御」２００６年度分１,０００万円

海外出張および海外研修
1.

2.
3.

矢野英雄：Lammi, Finland, 21-26 April 2006, Quantum Phenomena at Low Temperatures ̲
ULTI Users Meetingに出席・発表、および、Helsinki University of Technology, Espoo, Finland,
26 April – 1 May 2006, 低温研究所に訪問し研究打ち合わせ
矢野英雄：Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 13 – 16 November 2006, 低温研究所に訪問し研究打ち合わせ
矢野英雄：Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 19 – 24 February 2007, 低温研究所に訪問し研究打ち合わせ

8光物性物理学研究室
唐沢 力
教授
赤井一郎 助教授
鐘本勝一
講師

今中祥貴(M2)
中村貴史(M2)
樋口正幸(M2)

薄井将吾(M1)
下田崇史(M1)
樋口達也(M1)

上岡周平(B4)
楠見崇嗣(B4)
松田宗和(B4)

研究概要
1. 光捕集性デンドリマーにおけるエネルギー伝達の温度依存性（赤井、鐘本、唐沢）コアを中心に規則正しく枝分かれ構造した光捕集性側鎖が結合しているデンドリマー
は、高いエネルギー伝達を示すことから注目されている。我々はデンドリマーが内包する数多くの分子振動の自由度に着目し、大きな光捕集性側鎖を持った大型デンドリマーを用いて、コアと側鎖の光励起状態の遷移双極子間相互作用によって起こる励起子エネ
ルギー伝達の温度依存性を調べた。その結果、100K以下の極低温において側鎖からコアへのエネルギー伝達が低下することを見出した。これらの温度依存性から、側鎖ないの
芳香環を繋ぐエステル結合部分のねじれ振動や折れ曲り振動が励起子エネルギー伝達に大きく関与していることを明らかにした。また、室温における高効率なエネルギー伝達
は、それらの柔らかい分子振動が大きく励起されていることによる振動の非調和性に起因すると理解した。(物質分子系専攻・機能化学研究室と共同研究)
2. 光捕集性同軸型デンドリマーの光学特性（樋口、赤井、鐘本、唐沢）光捕集性デンドリマーは、高い光捕集性とコアへの高いエネルギー伝達効率を示すことから、光捕集性を有効活用した応用が期待される。我々は、それらの観点から、コアに高輝度有機EL材料として注目されているpoly-p-phenylenevinylene (PPV)を採用した同軸型デンドリマーの光エネルギー伝達ダイナミクスと、光捕集性側鎖によるコアポリマ
ーの保護効果について調べた。その結果、光捕集側鎖からコアポリマーへのエネルギー
伝達はフェルスター型の伝達機構では説明できない''rapid''伝達であることが明らかになった。また、コアポリマーの光捕集側鎖による保護効果は、よりおおきな光捕集性側鎖を有する同軸型デンドリマーの方がより顕著に表れることが明らかになった。(生体・構造物性研究室ならびに信州大学・繊維学部と共同研究)
3. ZnxMn1-xTe/ZnyMg1-yTe半導体量子井戸中のMn2+内遷移と励起子遷移の光学非線形効果（赤井）
ZnTe半導体にMnをドープすると、ZnサイトにMn2+が置換され共有性結合を形成する。
このMn2+にはd5 電子状態が存在し、Mnを高密度にドープしたZnxMn1-xTeとバリア層半導体ZnyMg1-yTeで量子井戸構造を形成すると、ZnxMn1-xTeのバンド間を基礎とした励起子状態と共存して、それぞれ特徴的な光学遷移を与える。我々はこれらの系をパルスレー
ザーで光強励起して、非線形発光スペクトルおよび発光減衰特性を調べた。その結果、非弾性散乱過程による励起子発光のブロードニングと、Mn2+発光強度の減少が観測された。これらは、量子井戸構造化することにより、d5 電子状態とバンド状態の混成化が顕著になり、その結果このような相補的なスペクトル変化として現れたことが明らかになった。
(ロシアSt. Petersburg大学との共同研究。)
4. Cu2O薄膜結晶の励起子スペクトル（中村、赤井、唐沢）
Cu2Oのパラ励起子は、光学遷移禁制で長寿命を持つという特徴のため、ポテンシャル
トラップへの閉じ込め等により、励起子BEC等の高密度状態の実現が期待されている。

9

我々は、2枚のMgO板に挟まれたCu2O薄膜結晶を用意し、その光学特性を調べた。MgO
板に挟まれたCu2Oは、応力により励起子状態が変調され、光学遷移に変化がもたらされる。その結果、4.2K以下の低温において6つのピークに分裂した発光スペクトルが得られた。またこれらの発光の温度変化や試料の厚み依存性から、薄膜中ではMgO板による軸性応力によって、三重縮退の1Sオルソ励起子バンドが3つに分裂し、それらの軸性応力が厚みに応じて変化していることを明らかにした。(大阪府立大学と共同研究。)
5. 極低温顕微分光システムの構築と半導体量子点の光学特性（薄井、赤井）
半導体量子点の顕微分光や、固体中の励起子伝播の様子を観測するため、4.2~Kの極低温でそれらを観測可能とする顕微分光システムの構築と、CdTe量子構造の励起子発光の顕微分光を行った。その結果、顕微分光の空間分解能は5µm以下であるが、その分解能以内でCdTe量子構造から均一な発光スペクトルが得られた。この結果は、CdTe量子構造は極めて高密度に量子点構造を含むか、もしくは量子点構造を形成せず比較的均一な量子井戸構造になっていることを示唆している。(山梨大学と共同研究。)
6. ナノスター型光捕集デンドリマーの超高速エネルギー移動の時間・周波数実時間イメー
ジング（赤井）この超高速時間・周波数実時間イメージは、通常のポンププローブ法と異なり、ポンプ光とプローブ光を線上波面で角度をなして入射させ、その角度による光路差によって時間差を空間にマッピングを行う方法である。それにより、積算時間を極めてすくなくすることが可能で、極微小量の試料における超高速ダイナミクスの観測に適している。
この方法を ナノスター型光捕集デンドリマーの光エネルギー伝達ダイナミクスの解明に適用した。その結果、コアへのエネルギー伝達は時間分解能程度の300fs以下の時間でおこっており、このエネルギー伝達が''rapid''エネルギー伝達であることが明らかになった。
(横浜国立大学と共同研究。)
7. 不活性媒体中に希釈したポリチオフェン誘導体の発光特性(今中、鐘本、赤井、唐沢)
π共役ポリマーは高い発光輝度からレーザー媒質や電界発光素子への応用が図られているが、光励起後の発光の研究は主としてその高分子自体のみで構成された薄膜試料で行われてきた。しかしながらその光励起状態は、高分子鎖間の相互作用の影響が無視できないため、鎖内と鎖間の過程が混在し複雑なものとなる。そこで、鎖内の発光過程を明らかにするために、π共役ポリマーの一つであるポリチオフェン誘導体を不活性媒体であるポリプロピレンに希釈し、その発光過程を調べた。その結果として、高分子鎖内には鎖の折れ曲がりに起因して複数の状態が存在し、孤立鎖においてはその状態間の励
起子間エネルギー移動が発光ダイナミクスにおいて重要なることを明らかにした。特にその高分子内の励起子移動の発光による観測に初めて成功した。
8. ポリチオフェン誘導体における電界発光(下田、鐘本)
π共役ポリマーは光励起のもとで強い発光(PL)が生じるが、電圧印加のもとでも発光が生じ(電界発光：EL)その応用性が注目されている。ポリチオフェン誘導体を用いてELデバイスを試作し、実際にELを観測することに成功した。一方で、一般にELはPLとスペク
トルが類似していると報告されてきたが、観測されたELスペクトルはPLよりもブルーシ
フトしていた。これまでの研究から、PLでは、光励起状態が低いエネルギー状態に集まった後に発光に至ることがわかっているが、ELでは必ずしもそのようなエネルギー移動
を経由していないことを示唆している。さらに同様な実験を、ポリマーEL材料として知られている、MEH-PPVを用いても行い、同様な結果を観測した。すなわちELスペクト
ルにおけるブルーシフトはπ共役ポリマーに共通する特徴であることが確認された。

10

9. ポリチオフェン誘導体における電場変調分光測定(樋口、鐘本)
π共役ポリマーは、非線形光学応答を示すことが知られている。その効果の発現は、一次元に広がった電子状態によってもたらされていることが示唆されており、統一的な現象の理解が求められている。その意味で、その電子状態が、種類に応じて一次元から二次元的にまで操作できるポリチオフェン誘導体において非線形光学効果を調べることで、ポリマーにおける非線形光学効果の検証からその発現機構の理解まで行うことが期待できる。本研究では特に、これら試料群に対して、電場変調分光法から観測される非線形光学効果に注目した。その結果として、ポリチオフェン薄膜に対して、電場を垂直及び平行に印加した場合においてスペクトルの違いを観測した。これは、π共役ポリマーにおける非線形光学効果には異方性が存在することをはっきりと示している。
10. ポリチオフェン誘導体における光変調分光測定(鐘本)
ポリチオフェンを含んだπ共役ポリマーは、光励起により励起子やキャリアが生成し、その特性が光伝導素子や発光材料への応用展開につながっている。それら光励起状態における励起子やキャリアの生成ダイナミクスを調べるには、過渡吸収測定が有効である
が、一般に生成キャリアの寿命は長いため、高速分光システムによる過渡吸収測定以外に、遅い時間領域における吸収測定も求められる。本研究では、チョッパーによるCW励
起光の変調に同期する成分をロックイン検出することにより、ms~µs程度の寿命をもつ
光誘起成分の吸収測定を行った。結果として、薄膜試料に比べて孤立鎖状態では、三重項成分が支配的に生成されることを明らかにした。
11. π共役高分子のFETデバイスで誘起されるキャリアの分光による研究（鐘本）
近年、π共役高分子からなるデバイスによる電界効果トランジスタ（FET）動作が報告され、その応用に向けた研究が盛んになされている。π共役高分子として、層構造を示す
ポリチオフェン誘導体ならびに大気中で安定なポリフルオレン誘導体に対して実際にトランジスタ動作を確認した。そのデバイスに対して、トランジスタ動作で誘起されるキ
ャリアをラマン分光でとらえる実験を試みた。結果として、弱いながらもキャリアに起因すると思われる信号が観測され、それは化学ドープ状態の信号にやや類似していることが確認された。（UniversityofCambridgeとの共同研究）。

教育・研究業績
著書
1. 唐沢 力：分担執筆 ”まえがき”、”今後の展開； 物質・応用”「光物性の基礎と応用」 (光物性研究会組織委員会編 オプトロニクス社、2006年6月発行)
2. 赤井一郎：分担執筆 ” 光熱分光・光音響分光”、「光物性の基礎と応用」 (光物性研究会組織委員会編 オプトロニクス社、2006年6月発行)
学術論文
1. K. Kanemoto, M. Shishido, T. Sudo, I. Akai, T. Karasawa, Y. Agari : “Effect of the dilution inpolypropylene on photophysical properties of poly(3-alkylthiophenes)”, Synth. Met., 155, 162167 (2005).
2. I. Akai, A. Okada, K. Kanemoto, T. Karasawa, H. Hashimoto, M. Kimura : “Quenching of energy
transfer by freezing molecular vibrations in light-harvesting small dendrimer”, J. Lumin. 119-120,
283-287 (2006).
3. K. Kanemoto, T. Sudo, I. Akai, H. Hashimoto, T. Karasawa, Y. Aso T. Otsubo: " Intrac
hain photoluminescence properties of conjugated polymers as revealed by long oligothiophenes and polythiophenes diluted in an inactive solid matrix" Phys. Rev. B73, 235203-1-11(2006).

11

国際会議会議録
1. I. Akai, T. Kato, A. Okada, K. Kanemoto, T. Karasawa, M. Kimura, M. Ohashi, S. Shinoda,
H. Tsukube : “Depression of excitonic energy transfer by freezing molecular vibrations in metalinked branching dendrimers”, phys. stat. solidi (c) 3, 3414-3419 (2006).
2. I. Akai, T. Kato, K. Kanemoto, T. Karasawa, M. Ohashi, S. Shinoda, H. Tsukube : “Morphology
dependence of excitonic energy transfer in light harvesting dendrimers having benzyl
ethertype peripheries”, phys. stat. solidi (c) 3, 3420-3425 (2006).
国際会議講演1. I. Akai, T. Kato, A. Okada, K. Kanemoto, T. Karasawa, M. Kimura, M. Ohashi, S. Shinoda,
H. Tsukube : “Depression of excitonic energy transfer by freezing molecular vibrations in metalinked branching dendrimers”, The 7th International Conference on Excitonic Processes inCondensed Matter (EXCON'06) 26-30 June 2006, Thu 29, 1-Plenary G-2, Wake Forest
University, Winston Salem, North Carolina, USA.
2. I. Akai, T. Kato, K. Kanemoto, T. Karasawa, M. Ohashi, S. Shinoda, H. Tsukube : “Morphology
dependence of excitonic energy transfer in light harvesting dendrimers having benzyl ether-type
peripheries”, The 7th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter(EXCON'06) 26-30 June 2006, Mon 26, 4-Poster, Wake Forest University, Winston Salem, North
Carolina, USA.
3. V. F. Agekyan, I. Akai, N. G. Filosofov, T. Karasawa, G. Karczewski, A. Yu. Serov, N. N.
Vassiliev : “Exciton and Mn2+ intracenter luminescence in ZnMnTe/ZnMgTe heterostructures
under high optical excitation”, 14th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" St
Petersburg, Russia, June 26-30, 2006.
学会・研究会講演1. 鐘本勝一：「ESRからみる有機導体のキャリアダイナミックス−導電性高分子を例として」特別講演、第10回ESRフォーラム研究会（協賛 日本化学会近畿支部・電子スピン
サイエンス学会）(京都大学)2006年6月10日
2. 樋口正幸, 赤井一郎, 鐘本勝一, 唐沢 力, 橋本秀樹, 木村 睦：「光捕集性同軸型デンド
リマーにおけるエネルギー伝達」, I A-5,「第17回光物性研究会」(大阪市立大学) 2006年12月8-9日
3. 中村貴史, 赤井一郎, 鐘本勝一, 唐沢 力, 河相武利, 橋本 哲：「MgO板に挟まれたCu2O
薄膜結晶における励起子の発光特性」, I A-19,「第17回光物性研究会」(大阪市立大学) 2006
年12月8-9日
4. 石田明大, 牧嶋良哲, 岡田 明, 赤井一郎, 鐘本勝一, 唐沢 力, 木村 睦, 武田 淳：「ナノスター型光捕集デンドリマーの超高速エネルギー移動の 時間・周波数2次元マッピン
グ」, III A-90, 「第17回光物性研究会」 (大阪市立大学) 2006年12月8-9日
5. 下田崇史,鐘本勝一,赤井一郎,橋本秀樹,唐沢力：「π共役高分子ポリチオフェン誘導体のEL発光過程」, III B-112,「第17回光物性研究会」 (大阪市立大学) 2006年12月8-9日
6. 樋口達也,鐘本勝一,赤井一郎,唐沢力：「層状π共役高分子ポリチオフェン誘導体の電場変調吸収スペクトル」, III B-115,「第17回光物性研究会」 (大阪市立大学) 2006年12月8-9日
7. 鐘本勝一，赤井一郎，橋本秀樹，唐沢力，根岸伸和,安蘇芳雄,大坪徹夫：「オリゴチオフェンの鎖長変化に伴われる光学特性の変化」24aWB-8, 日本物理学会「2006年秋季大会」 (千葉大) 2006年9月23-26日
8. 赤井一郎，加藤賢，岡田明，鐘本勝一，唐沢力，木村睦，大橋正和，篠田哲史，築部浩：「メタ位枝分れデンドリマーの励起子エネルギー伝達の温度依存性」, 24aWB-9, 日本物理学会「2006年秋季大会」 (千葉大) 2006年9月23-26日

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11.
12.

13.

14.

鐘本勝一，古川貢,根岸伸和,安蘇芳雄,大坪徹夫：「ドープされた長鎖オリゴチオフ
ェンにおける電子スピンダイナミクス」25aYF-7, 日本物理学会「2006年秋季大会」 (千葉大) 2006年9月23-26日
中村貴史，赤井一郎，鐘本勝一，唐沢力，河相武利，橋本哲：「MgO薄膜に挟まれたCu2O結晶における励起子の光学特性II」25aPS-23, 日本物理学会「2006年秋季大会」 (千葉大)
2006年9月23-26日
河相武利，赤井一郎，唐沢力，橋本哲：「アルカリハライド結晶中のAg-センターにおける緩和過程」25aPS-50, 日本物理学会「2006年秋季大会」 (千葉大) 2006年9月23-26日
樋口正幸，赤井一郎，鐘本勝一，唐沢力，橋本秀樹，木村睦：「同軸型光捕集性デンド
リマーにおけるエネルギー伝達」25aPS-77, 日本物理学会「2006年秋季大会」 (千葉大)
2006年9月23-26日
武田淳，牧嶋良哲，石田明大，岡田明，赤井一郎，鐘本勝一，唐沢力，木村睦：「ナノスター型光捕集デンドリマーの超高速エネルギー 移動の時間・周波数実時間イメージ
ング」26aWB-12, 日本物理学会「2006年秋季大会」 (千葉大) 2006年9月23-26日
赤井一郎，加藤賢，岡田明，鐘本勝一，唐沢力，木村睦A，大橋正和，篠田哲史，築部浩：「メタ位枝分れデンドリマーの励起子エネルギー伝達の温度依存性 II」18aZB-2, 日
本物理学会「2007年春季大会」 (鹿児島大) 2007年3月18-21日

その他
1. 唐沢 力:「光と私たちの世界 −光の物理学と、地球の生命−」、大阪市大の物理出張
授業: 2006年7月19日、上宮高等学校
2. 赤井一郎:「半導体 --全てはラヂオ少年から始まった--」、大阪市大の物理出張授業: 2006
年7月29日、西大和学園高等学校
3. 唐沢 力: 大阪市立大学高校生講座: 「君の携帯には物理学からのメッセージが聞こえますか？−宇宙から半導体までの物理−」2006年8月1日、大阪市立大学
4. 赤井一郎:「半導体 --全てはラヂオ少年から始まった--」、大阪市大の物理出張授業: 2006
年9月8日、清風学園高等学校
5. 唐沢 力:「光と私たちの世界 −光の物理学と、地球の生命−」、大阪市大の物理出張
授業: 2006年11月15日、京都府立南陽高等学校
6. 唐沢 力:「光と私たちの世界 −光の物理学と、半導体の物理学−」、大阪市大の物理出張授業: 2006年12月2日、京都ヴィアトール学園洛星高等学校

学位論文
修士論文
1. 樋口正幸：「光捕集性同軸型デンドリマーの光学特性と励起エネルギー伝達ダイナミク
ス」, “`Optical Properties and Excitation Energy Transfer Dynamics in Light-Harvesting Coaxial
Dendrimers”
2. 中村 貴史：「MgO板に挟まれたCu2O薄膜結晶における励起子の光学応答」, “Opticalresponse of excitons in Cu2O thin films sandwiched by MgO plates”
3. 今中祥貴：「固相に希釈したπ共役高分子ポリチオフェンの発光ダイナミクス」、”
Photoluminescence Dynamics of π-Conjugated Polymer, Polythiophene in Polypropylene”

海外出張および海外研修
1.
2.

赤井一郎 ：The 7th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter(EXCON'06) 26-30 June 2006, Wake Forest University, Winston Salem, North Carolina, USA
鐘本勝一：共同研究「有機高分子を用いたデバイス動作機構の解明」13-22 Jul. 2006,
Cavendish Laboratory, Cambridge University, UK.

13生体・構造物性研究室
橋本 秀樹 教授
杉﨑 満
助教授
丸山 稔
講師

藤井 律子 (PD)

楠本 利行
藤原 正澄
鈴木 聡
若竹 伸幸
佐野 雄一
津村 信也

(D1)
(D1)
(M2)
(M2)
(B4)
(B4)

研究概要
1. 光合成色素カロテノイドのサブ20フェムト秒縮退四光波混合（杉﨑，橋本）
光合成系における超高速・高効率エネルギー伝達とコヒーレンスとの関係を解明するた
めに，β-カロテン（共役二重結合数n=11）及びn=15を持つホモログ体（M15-カロテン）の縮退四光波混合実験を行い，3パルスフォトンエコー信号を観測した．光源には，我々の研究室で開発した，非同軸型光パラメトリック増幅器NOPA（自己相関幅Δt ∼ 11 fs）を用いた．試料の吸収端近傍で測定したフォトンエコー信号には，時間原点付近に現れる強い信号に続き，約20～30 fsの周期を持つ，複数の成分からなるコヒーレント振動が明瞭に観測された．コヒーレント振動の寿命は，数ピコ秒のオーダーである．カロテノイドの緩和過程を表現する適切なモデルを仮定し，インパルシブ極限において計算を行った．実験結果を再現するためには，スペクトル密度関数に，C-CH3変角振動，C-C，C=C伸縮振動の最低でも3つの固有振動モードを取り入れる必要がある．時間原点付近におけるスパイクやそれに続くコヒーレント振動の様子など，実験と計算との結果は非常によい一致を示した．
コヒーレント振動の緩和時間は，ほぼS1状態の寿命に等しく，系のコヒーレンスはS1状態から緩和してくる電子により消失されることが分かった．つまり，カロテノイドは励起状態においては，十分に系のコヒーレンスが保たれ，エネルギーの損失が抑えられていると考えられる．
以上の結果は光合成系において，高効率のエネルギー伝達が達成されている要因は，構成要素である光合成色素の持つ長いコヒーレンスが重要な役割を果たしていることを示
唆するものである．これらの結果をまとめ，学術雑誌Phys. Rev. Bによりその成果を公表した他，いくつかの国際学会で招待講演を行う機会を得た．
2. 光合成膜蛋白質の脂質二重層膜への再構築・二次元結晶化及び電子顕微鏡観察（藤井，杉﨑，橋本）
脂質（Egg PC）にLH2，RC-LH1等の膜蛋白質を様々な割合で再構築する手法を確立した．
Egg PCにRhodopseudomonas (Rps.) viridisのRC-LH1コア複合体を再構築した膜（人工光合成
膜）及びRps. achidophilaのLH2アンテナ複合体を共に再構築した天然にはありえない組み合わせのヘテロな光合成膜蛋白質を持った人工光合成膜の電子顕微鏡観測を行うことに成功し，LH2アンテナ複合体のRC-LH1コア複合体に対する量比を増やしていくと伴に膜をフーリエ変換して得られる膜内の繰り返し配列が三角格子から正方格子へと変化することを発見した．フーリエ像の繰り返し距離の解析より，前者は13.5nmのコア複合体の配列，後者は8 nmのLH2複合体の配列であることがわかった．また，近赤外にあるコア複合体からの発光を，InGaAs検出器を用いて測定した．その結果，膜に再構築することにより，異種の光合成細菌から抽出したLH2アンテナ複合体からコア複合体へのエネルギー伝達が確かに行われること，またコアに対するLH2の量が増加するのに比例してコア1個当たりの蛍光量が増加することを世界で始めて明らかにした．電子顕微鏡観測より得られた配列の情報と，吸収・蛍光・蛍光励起スペクトルの情報より，二次元膜内におけるLH2からコア複14合体へのエネルギー伝達モデルを作成し，シミュレーションを行った．これは，空間分解分光測定（顕微分光測定）に供するのに最適な系統的な試料となるとともに，このような解析方法は，時間分解・空間分解分光データの解析手段を確立する第一歩であると考えられる．
現在，得られた結果をまとめて世界的に権威のある学術雑誌を通して公表する準備中である．
3. 光合成膜蛋白質の結晶化及びX線結晶構造回折（藤井，橋本）
天然体である紅色光合成細菌Rhodobacter sphaeroides 2.4.1の光反応中心(RC)色素蛋白複合体の良質の回折像が得られる結晶の大量調製を試みた．卓上型X線回折測定装置を用いて3.0Åを切る分解能が得られる結晶を一度に15～20個程度調製し，凍結保存することに成功した．また，構造精密化の専門家を1ヶ月間招聘し，X線回折生データの取得から構造精密化までの技術を取得することができた．この際，上記のRC結晶について分解能1.95～2.1Åという世界最高の分解能のデータを複数得ることに成功した．これらの詳細な解析及びデータの比較により，これまであまり注目されていなかった，蛋白質のふらつきの多い部
分，蛋白質表面に存在する水分子，界面活性剤分子，脂質分子の挙動について様々な知見が得られると考えて解析を進めている．また，カロテノイド部位の電子密度は非常に濃いが，数10分の1Å程度の構造変化を議論するためには2.5Åを切る高分解能の結晶を用いる必要があることがわかった．更に，共役二重結合鎖の短い合成カロテノイド3,4,7,8,5’,6’ヘキサヒドロ-7’,8’-ジデヒドロスフェロイデン(n8)を再構成したn8RCの結晶を得て分解能3.5ÅのX線回折像を得た．詳細な解析の結果，得られた結晶中にはn8カロテノイドは結合していない可能性が高いことがわかり，カロテノイドの結合を確認する目的でも3.0Å程度の分解能が必要であることがわかった．
4. LH1アンテナ複合体の再構築とその電場変調吸収分光（鈴木，橋本）
紅 色 光 合 成 細 菌 Rhodospirillum rubrum か ら ， 共 役 二 重 結 合 鎖 n=13 の カ ロ テ ノ イ ド（all-trans-spirilloxanthin）を単離精製した．単離したカロテノイドを，カロテノイドを除去したB880色素蛋白複合体の単量体サブユニットと再会合することにより，Rs. rubrum
LH1複合体を人為的に再構築した．吸収スペクトル，蛍光励起スペクトルおよび電場変調
吸収スペクトルを測定することで，再構成体と天然由来のLH1複合体についての比較検討を行った．LH1天然体を取り巻く界面活性剤の極性を変えることにより，LH1が受ける静電的な環境を変化させることが出来る．無極性界面活性剤TritonX-100を用いた場合に比べ，極性界面活性剤LDAOに取り囲まれたLH1においては，BChl aのQy帯の大きなエネルギー
シフトや振動子強度のintenisty borrowingが観測された．また，LH1天然体と再構成体において，BChl a周りの静電的環境が両者で大きく異なることを見出し，再構成体におけるエネルギー移動速度が，天然体に比べ3割ほど速いという結果を得た．以上の結果は，励起エネルギー伝達過程を考える上で，色素と蛋白の局所的な静電相互作用を取り入れることが重要であることを示している．
5. 紅色光合成細菌Blastochloris viridisから調製した光合成膜のフェムト秒時間分解吸収分光（若竹，橋本）光合成細菌Blastochloris viridisには，生合成経路に依存した共役二重結合数9，11，12 を持つ5種類のカロテノイド（Car）[1,2-ジヒドロヌロスポレン（共役二重結合数n = 9，含有率72％）
；1,2-ジヒドロリコペン（n = 11，17％）；1,2-ジヒドロ-3,4-デヒドロリコペン（n=12，5％）；ヌロスポレン（n = 9，3%）；リコペン（n = 11，1%）]が結合している．これらのカロテノイドにおける光吸収の共鳴波長は，共役二重結合数に応じ変化する．そのため，励起波長を系統的に変化させ，フェムト秒時間分解吸収分光測定により，このような複雑なカロテノイド組成を持つ系における，カロテノイドからバクテリオクロロフィルへの励
起エネルギー伝達機構の詳細が解明できると期待できる．その結果，次のような結果を得

15

た．①481 nm励起の時のn=9 及びn=11 のカロテノイドからバクテリオクロロフィルbへのエネルギー伝達効率をそれぞれ38.0%及び56.7%と決定した②n=9のカロテノイドからバク
テリオクロロフィルへのエネルギー伝達はS1→Qyが主な経路であるが，n=11の場合はS2→
Qx が主な経路となる③n=11のカロテノイドでS2 →Qx 経路でのエネルギー伝達効率は，481nmで励起した方が523nm励起した時よりも高くなる．また，近赤外波長領域で過渡吸収測定を行い，カロテノイドのS2およびS1状態に帰属できる信号の検出にも成功した．
6. β-カロテンホモログのTHGメーカーフリンジ測定（藤原，山内，橋本）
カロテノイド色素の光機能を最もよく特徴付けるのはその共役鎖であり，共役鎖長と光機能との関係は活発に調べられてきた．これまで我々は，代表的なカロテノイド色素であるβ-カロテンのホモログ体をシリーズで調製し，電場変調吸収分光（EA）測定によってその非線形光学特性を調べてきた．興味深い点は，基底状態と励起状態での静的双極子モーメントの差Δμがn=9の共役鎖長を有するホモログ体（C36カロテン）では，大きな値を持つことが見出されたことである．対称性から考えるとΔμ=0となるべきであるが，Ag−対称性を有する高次の一光子禁制準位が，一光子許容準位11Bu+のごく近傍に位置する事によって生じる共鳴現象と考えられている．
非線形光学特性と共役鎖長との関係をより深く理解するために，第三次高調波発生（THG）法を用いて非線形感受率を定量的に決定する事を試みた．THG はEA に関わる感受率と同じ三次の非線形光学過程に属し，EAの2光子に対して4光子が関係するために，
エネルギー準位に関してEA とは相補的な情報を与える．特に，一光子許容準位と縮退した禁制準位の存在を明確に知る事ができると期待される．その結果，β-カロテンとC36カ
ロテンの二次超分極率γを見積もることに成功した．今後THGメーカーフリンジ測定を一連のβ-カロテンホモログ体を対象にして行う事と共に，広いスペクトル領域で行うことで，この部分に関してさらなる知見が得られると期待される．
7. 氷円盤結晶の成長と融解の間に生じる非対称なパターン形成（丸山，津村）
結晶にはミクロな構造異方性があるために，特定の方位の結晶面のみがマクロな結晶外形を構成する．すなわち，成長形は成長速度の遅い方位の面によって，融解形は融解速度の速い面
によって囲まれる，という法則がある．両者は違った形になることが予測されるが，その関係をきちんと調べた例はほとんどない．昨年度は氷結晶を対象にして，ラフニング温度以下で成長する氷六角板結晶は，融解するときは，六角形の角から優先的に解け始め，定常状態では逆六角形を示すことを見出した．すなわち融解形は成長形が30度回転した相似形になることを明らかにした．今年度はラフニング温度以上で成長する円盤結晶に注目した．
ラフニング温度以上では，氷結晶はc軸方向からは円状に見え，それと垂直方向からは2枚の平行な{0001}ファセットとそれらを滑らかにつなぐ曲面(微斜面とラフ面)が見える．微斜面はファセット端の傾斜のゆるい曲面部分を指し，ラフ面は曲面の中央部分にあたる．この結晶をアンビル・セル中の圧力下で温度を変え，ゆっくり成長・融解させると，ファセットはピン止めされた状態で，曲面のみが前進・後退する．分子レベルで平らなファセットは成長・融解しにくいのに対して、分子階段状の曲面は小さな駆動力でも簡単に動くことができるからである．
成長形はファセットが広がった円盤状になるのに対して，融解形はファセットが縮小した楕円体になる．成長形と融解形は非対称になる．この結晶は3次元状で，それを2次元に投影した像を観察しているので，解析には3次元軸対称モデルを開発することが課題になる．一方，2次元
数理モデルが直接適用できる実験系として，基板面に沿って成長・融解する氷結晶を今後観測し，その解析を行う．

16

教育・研究業績
学術論文
1. D. Polli, G. Cerullo, G. Lanzani, S. De Silvestri, H. Hashimoto, and R. J. Cogdell,“Carotenoid-Bacteriochlorophyll Energy Transfer in LH2 Complexes Studied with 10-fs Time
Resolution”, Biophys. J. 90 (2006) 2486-2497.
2. R. Nakamura, P. Wang, R. Fujii, Y. Koyama, H. Hashimoto, and Y. Kanematsu, “Vibrational
relaxation pathways in the electronic excited state of carotenoid”, J. Lumin. 119-120 (2006)
442-447.
3. I. Akai, A. Okada, K. Kanemoto, T. Karasawa, H. Hashimoto, and M. Kimura, “Quenching ofenergy transfer by freezing molecular vibrations in light harvesting small dendrimer”, J. Lumin.
119-120 (2006) 283-287.
4. H. Hashimoto, R. Fujii, K. Yanagi, T. Kusumoto, A.T. Gardiner, A.W. Roszal, N.W. Issacs, Z.
Pendon, D. Niedzwiedski, H.A. Frank, and R.J. Cogdell, “Structures and functions of carotenoids
bound to reaction centres from purple photosynthetic bacteria”, Pure Appl. Chem. 78 (2006)
1505-1518.
5. A. Cahoon, M. Maruyama, and J.S. Wettlaufer, “Growth-melt asymmetry in crystals andtwelve-sided snowflakes”, Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 255502-1-4.
6. K. Kuroyanagi, M. Fujiwara, H. Hashimoto, H. Takahashi, S. Aoshima, and Y. Tsuchiya, “AllOrganic THz Electromagnetic Wave Emission and Detection Using Highly Purified
N-Benzyl-2-Methyl-4-Nitroaniline Crystals”, Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 4068-4073.
7. K. Kuroyanagi, M. Fujiwara, H. Hashimoto, H. Takahashi, S. Aoshima and Y. Tsuchiya,“Determination of the Refractive Indices and Absorption Coefficients of Highly Purified
N-Benzyl-2-Methyl-4-Nitroaniline Crystal in Terahertz Frequency Regime”, Jpn. J. Appl. Phys.
45 (2006) L761-L794.
8. M. Fujiwara, K. Yanagi, M. Maruyama, M. Sugisaki, K. Kuroyanagi, H. Takahashi, S. Aoshima,
Y. Tsuchiya, Andrew Gall and H. Hashimoto, “Second order nonlinear optical properties of thesingle crystal of N-benzyl 2-methyl-4-nitroaniline: anomalous enhancement of the d333
component and its possible origin”, Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 8676-8685.
9. D. Kosumi, K. Yanagi, R. Fujii, H. Hashimoto, and M. Yoshizawa, “Conjugation length
dependence of relaxation kinetics in β-carotene homologs probed by femtosecond Kerr-gate
fluorescence spectroscopy”, Chem. Phys. Lett. 425 (2006) 66-70.
10. K. Kanemoto, T. Sudo, I. Akai, H. Hashimoto, T. Karasawa, Y. Aso and T. Otsubo, “Intrachain
photoluminescence properties of conjugated polymers as revealed by long oligothiophenes andpolythiophenes diluted in an inactive solid matrix”, Phys. Rev. B 73 (2006) 235203.
11. K. Kuroyanagi, K. Yanagi, A. Sugita, H. Hashimoto, H. Takahashi, S. Aoshima, and Y. Tsuchiya,“Incident Light Polarization Dependence of Terahertz Emission Spectrum of Crystalline
4-N,N-Dimethylamino-4'-N'-Methyl-4-Stilbazolium Tosylate”, J. Appl. Phys. 100 (2006)
043117/1-043117/5.
12. 井上弘明，立石 亮，本多由美子，関本邦敏，横山次郎，上野隆嗣，富田純史，橋本秀樹，
村越倫明，廣田才之，「ラット（ビタミンＡ欠乏系）に投与したカロフィルレッド，カ
ロフィルピンクの還元代謝への影響」, 日本食生活学会誌 17 (2006) 34-39
13. T. Buckup, J. Savolainen, W. Wohlleben, J.L. Herek, H. Hashimoto, R.R.B. Correia, and M.
Motzkus, “Pump-probe and pump-deplete-probe spectroscopy on carotenoids with N = 9-15
conjugated bonds”, J. Chem. Phys. 125 (2006) 194505/1-194505/7.
14. M. Yoshizawa, D. Kosumi, M. Komukai, and H. Hashimoto, “Ultrafast optical responses ofthree-level systems in β-carotene: Resonance to a highly lying n1Ag− excited state”, Laser Phys.
16 (2006) 325-330.
15. Q. Wang, Y. Han, X. Wen, P. Hu, S. Hirota, and H. Hashimoto, “Effects of Carotenoids on
Immunologic Functions in Mice”, Carotenoid Science 10 (2006) 43-46.
16. M. Yoshizawa, D. Kosumi, M. Komukai, K. Yanagi, and H. Hashimoto, “Initial Relaxation
Kinetics and Nonlinear Optical Responses in β-Carotene Investigated by Resonant andNonresonant Photoexcitations”, Carotenoid Science 10 (2006) 65-67.
17. D. Kosumi, K.Yanagi, H. Hashimoto, and M. Yoshizawa, “Conjugation Length Dependence of17

Ultrafast Fluorescence in All-trans-Carotenoids”, Carotenoid Science 10 (2006) 68-71.
18. R. Fujii, M. Shimizu, T. Nishio, T. Kusumoto, D. Niedzwiedzki, Z. Pendon, H.A. Frank, R.J.
Cogdell, and H. Hashimoto, “Triplet States of Carotenoids Having Shorter Conjugation Lengths
Reconstituted into the Reaction Centre of Rhodobacter sphaeroides R26.1 Detected byTime-Resolved Absorption Spectroscopy”, Carotenoid Science 10 (2006) 72-77.
19. K. Yanagi and H. Hashimoto, “Effect of Motional Narrowing on the Absorption Spectra ofβ-Carotene Homologues”, Carotenoid Science 10 (2006) 78-80.
20. K. Yanagi and H. Hashimoto, “Effect of Motional Narrowing on the Absorption Spectra ofβ-Carotene Homologues”, Carotenoid Science 10 (2006) 78-80.
21. M. Fujiwara, M. Maruyama, M. Sugisaki, H. Takahashi, S. Aoshima, R.J. Cogdell, and H.
Hashimoto, “Determination of the d-Tensor Components of a Single Crystal of
N-Benzyl-2-methyl-4-nitroaniline”, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 46 (2007) 1528-1530.
22. M. Sugisaki, K. Yanagi, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Unified explanation for linear andnonlinear optical responses in β-carotene: A sub-20 fs degenerate four-wave mixing
spectroscopic study”, Phys. Rev. B 75 (2007) 155110-1-11.
23. M. Sugisaki, M. Fujiwara, K. Yanagi, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Four-wave mixing
signals from β-carotene and its homologues”, Photosynth. Res. (2007) in press.
24. M. Sugisaki, R. Fujii, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Linear and nonlinear optical responses inbacteriochlorophyll a”, Photosynth. Res. (2007) in press.
25. R. Fujii, S. Shimonaka, N. Uchida, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Sugisaki, and H. Hashimoto,“Construction of hybrid photosynthetic units using peripheral and core antennae from two
different species of photosynthetic bacteria: Detection of the energy transfer frombacteriochlorophyll a in LH2 to bacteriochlorophyll b in LH1”, Photosynth. Res. (2007) in press.
26. R. Fujii, S. Shimonaka, N. Uchida, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Sugisaki, and H. Hashimoto,“Construction of hybrid photosynthetic units using peripheral and core antennae from two
different species of photosynthetic bacteria: Detection of the energy transfer frombacteriochlorophyll a in LH2 to bacteriochlorophyll b in LH1”, Photosynth. Res. (2007) in press.
27. K. Nakagawa, S. Suzuki, R. Fujii, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Nango, and H. Hashimoto,“Electrostatic effect of surfactant molecules on bacteriochlorophyll a and carotenoid binding sites
in the LH1 complex isolated from Rhodospirillum rubrum S1 probed by Stark spectroscopy”,
Photosynth. Res. (2007) in press.
28. K. Nakagawa, S. Suzuki, R. Fujii, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Nango, and H. Hashimoto,“Probing binding site of bacteriochlorophyll a and carotenoid in the reconstituted LH1 complex
from Rhodospirillum rubrum S1 by Stark spectroscopy”, Photosynth. Res. (2007) in press.
29. T. Ochiai, T. Asaoka, T. Kato, S. Osaka, T. Dewa, K. Yamashita, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, H.
Hashimoto, and M. Nango, “Molecular Assembly of Zn Porphyrin Complexes Using Synthetic
Light-Harvesting Model Polypeptides”, Photosynth. Res. (2007) in press.
国際会議録
1. M. Yoshizawa, D. Kosumi, K. Yanagi, and H. Hashimoto, “Ultrafast Relaxation of the S2 Excited
State in β-Carotene and its Homologs: A Role of Intermediate States”, Ultrafast Phenomena XV,
Springer Series in Chemical Physics, (2007) in press.
国際会議講演
1. M. Nango, M. Nagata, T. Ochiai, Y. Suemori, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, R. Fujii, and H.
Hashimoto, “Self-assembly of light-harvesting core complex on an electrode for construction ofan artificial photosynthetic antenna core system”, the 16th International Conference on
Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy, 2-7 July, 2006, Uppsala, Sweden.
2. I. Kinoshita, R. Miyamoto, R. Fujii, S. Shimizu, and H. Hashimoto, “Simplified model ofquinone-hydroquinone conversion by utilizing amphiphilic copper complex”, the 16th
International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy, 2-7 July,
2006, Uppsala, Sweden.
3. H. Hashimoto, K. Nakagawa, R. Fujii, S. Suzuki, E. Nishimura, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, and
M. Nango, “Stark spectroscopy of the reconstituted LH1 complexes from Rhodospirillum

18rubrum”, the 16th International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar
Energy, 2-7 July, 2006, Uppsala, Sweden.
4. M. Maruyama, and S. Tsumura, “Relationship between equilibrium and growth or melt shapes of
disk crystals”, 11th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice, 23-28 July,
2006, Bremerhaven, Germany.
5. M. Yoshizawa, D. Kosumi, K. Yanagi, and H. Hashimoto, “Ultrafast relaxation of the S2 excitedstate in β-carotene and its homologs: a role of intermediate states”, the 15th International
Conference on Ultrafast Phenomena, 31 July – 4 August, 2006, Pacific Grove, USA.
6. M. Yoshizawa, D. Kosumi, H. Hashimoto, “Vibrational dynamics of excited states following
photoexcitations with different excess energy”, the 20th International Conference on Raman
Spectroscopy (ICORS2006), 20-25 August, 2006 Yokohama, Japan (Invited Talk).
7. D. Kosumi, S. Minato, H. Hashimoto, M. Yoshizawa, “Femtosecond stimulated Raman spectrumof excited states in β-carotene”, the 20th International Conference on Raman Spectroscopy(ICORS2006), 20-25 August, 2006 Yokohama, Japan.
8. R. Fujii, S. Shimonaka, N. Uchida, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, M. Sugisaki, and H. Hashimoto,“Heterogeneous two-dimensional-crystallization and energy transfer of the LH2 and LH1-RC
complexes from different species of photosynthetic bacteria: an investigation by means ofelectron microscopy and near-infrared fluorescence spectroscopy”, the 12th International
Symposium on Phototrophic Prokaryotes, 27 August - 1 September, 2006, Pau, France.
9. H. Hashimoto, K. Nakagawa, R. Fujii, S. Suzuki, E. Nishimura, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, and
M. Nango, “Electrostatic field around pigments’ binding-site of the reconstituted LH1 complexes
from Rhodospirillum rubrum as probed by Stark spectroscopy”, the 12th International Symposiumon Phototrophic Prokaryotes, 27 August - 1 September, 2006, Pau, France.
10. M. Sugisaki, R. Fujii, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Very early photophysics
of carotenoids probed by sub-20 fs degenerated four-wave mixing (DFWM) spectroscopy”,
International Symposium on the Ultrafast Processes in Chemical and Biological Complex
Systems, 16-19 November, 2006, Beijing, China (Invited Lecture).
11. R.J. Cogdell, D. Polli, G. Cerullo, G. Lanzani, S. De Silvetri, and H. Hashimoto,“Carotenoid-Bacteriochlorophyll Energy Transfer in LH2 Complexes Studied with 10-fs Time
Resolution”, International Symposium on the Ultrafast Processes in Chemical and BiologicalComplex Systems, 16-19 November, 2006, Beijing, China (Invited Lecture).
12. H. Hashimoto, M. Sugisaki, A.T. Gardiner, and R.J. Cogdell, “Very early photophysics ofcarotenoids probed by sub-20 fs degenerated four-wave mixing (DFWM) spectroscopy”, the 7th
Gordon Research Conference on Carotenoids, 7-12 January, 2007, Ventura, California, USA(Invited Lecture).
13. H. Hashimoto, M. Sugisaki, and R.J. Cogdell, “Very early photophysics of carotenoids probed bysub-20 fs degenerated four-wave mixing (DFWM) spectroscopy”, International Conference on
Light-Harvesting Processes, 21-24 March, 2007, Banz Monastery, Germany.
学会・研究会講演
1. 中川勝統，西村絵美，水野愛弓，出羽毅久，藤井律子，橋本秀樹，南後守，「電場変調
吸収分光法による光合成細菌のアンテナ系LH1 複合体中でのカロテノイド分子の静電的環境の評価」，第33回生体分子科学討論会，2006年7月14－15日，名古屋工業大学（名古屋）
2. 杉﨑満，柳和宏，橋本秀樹，「β-カロテン，及びそのホモログ体における誘導フォトン
エコー」，第20回カロテノイド研究談話会，2006年9月8－10日，ホテルムーンビーチ（沖縄）
3. 若竹伸幸，下中奨三，陳岐岱，藤井律子，杉崎満，橋本秀樹，「紅色光合成細菌Blastochloris
viridisから調製した光合成膜のフェムト秒時間分解吸収分光」第20回カロテノイド研究談
話会，2006年9月8－10日，ホテルムーンビーチ（沖縄）4. 小澄大輔，湊茂治，橋本秀樹，吉澤雅幸，「β-カロテンにおける励起状態ラマンスペク
トルの遅延時間依存性」，第20回カロテノイド研究談話会，2006年9月8－10日，ホテル
ムーンビーチ（沖縄）19鈴木聡，中川勝統，西村江美，水野愛弓，出羽毅久，藤井律子，南後守，橋本秀樹，「天然及び再構成光合成LH1複合体の電場変調吸収分光測定」，第20回カロテノイド研究談
話会，2006年9月8－10日，ホテルムーンビーチ（沖縄）
6. 藤原正澄，山内健聖，橋本秀樹，「β-カロテンホモログのTHGメーカーフリンジ測定」，
第20回カロテノイド研究談話会，2006年9月8－10日，ホテルムーンビーチ（沖縄）
7. 鐘本勝一，赤井一郎，橋本秀樹，唐沢力，根岸伸和，安蘇芳雄，大坪徹夫，「オリゴチオフェンの鎖長変化に伴われる光学特性の変化」，日本物理学会2006年秋季大会，2006
年9月23－26日，千葉大学（千葉）8. 樋口正幸，赤井一郎，鐘本勝一，唐沢力，橋本秀樹，木村睦，「同軸型光捕集性デンド
リマーにおけるエネルギー伝達」，日本物理学会2006年秋季大会，2006年9月23－26日，千葉大学（千葉）
9. 丸山稔，津村信也，「氷の平衡形・成長形・融解形の関係」，日本物理学会2006年秋季大会，2006年9月23－26日，千葉大学（千葉）10. 橋本秀樹，杉﨑満，「サブ20フェムと秒レーザー分光で見えてきた光合成色素カロテノ
イドの超高速緩和過程」，第37回中部化学関係学協会支部連合秋季大会，2006年11月12－13日，愛知工業大学八草キャンパス（愛知）11. 藤井律子，下中奨三，内田直子，Alastair T. Gardiner，Richard J. Cogdell，杉﨑満，
橋本秀樹，「人工膜内に配列した異種の光合成色素蛋白複合体間のエネルギー伝達」，
第17回光物性研究会，2006年12月8－9日，大阪市立大学（大阪）12. 若竹伸幸，下中奨三，陳岐岱，藤井律子，杉﨑満，橋本秀樹，「紅色光合成細菌Blastochloris
viridisから調製した光合成膜のフェムト秒時間分解吸収分光」，第17回光物性研究会，
2006年12月8－9日，大阪市立大学（大阪）13. 藤原正澄，山内健聖，橋本秀樹，「β-カロテンホモログにおけるTHGメーカーフリンジ
測定」，第17回光物性研究会，2006年12月8－9日，大阪市立大学（大阪）14. 樋口正幸，赤井一郎，鐘本勝一，唐沢力，橋本秀樹，木村睦，「光捕集性同軸型デンド
リマーにおけるエネルギー伝達」，第17回光物性研究会，2006年12月8－9日，大阪市立大学（大阪）
15. 下田崇史，鐘本勝一，赤井一郎，橋本秀樹，唐沢力，「π共役高分子ポリチオフェン誘導
体のEL発光過程」，第17回光物性研究会，2006年12月8－9日，大阪市立大学（大阪）16. 藤井律子，下中奨三，内田直子，Alastair T. Gardiner，Richard J. Cogdell，杉崎満，
橋本秀樹，「人工膜内に配列した異種の光合成色素蛋白複合体間のエネルギー伝達」，
日本物理学会2007年春季大会，2007年3月18－21日，鹿児島大学郡元キャンパス（鹿児島市）
17. 杉﨑満，藤井律子，橋本 秀樹，「バクテリオクロロフィルaの超高速光学応答」，日本物理学会2007年春季大会，2007年3月18－21日，鹿児島大学郡元キャンパス（鹿児島市）
5.

著書
1. 橋本秀樹，藤井律子，杉﨑満，「物質・現象・新技術(5) 有機・バイオ-光合成アンテナ
色素蛋白複合体・カロテノイド・超高速レーザー分光」，光物性の基礎と応用（光物性研究会組織委員会編，オプトロニクス社，2006）pp. 239-261
2. 杉﨑満，「顕微分光」，光物性の基礎と応用（光物性研究会組織委員会編，オプトロニ
クス社，2006）pp. 152-170
3. 橋本秀樹，藤井律子，「第１章 光合成の基礎，２ 光合成の初期過程の最新の描像」，
光合成微生物の機能と応用（上原赫 監修，シーエムシー出版，2006）pp. 18-37
解説
1. 高橋宏典，黒柳和良，青島紳一郎，藤原正澄，橋本秀樹，「極超短パルス光を利用した
テラヘルツ波の発生・計測 ＝有機非線形光学結晶BNAからのTHz波発生と周波数ドメイ

20ン分光法＝」，光アライアンス 2006.3 (2006) pp. 13-17

学位論文
修士論文
1. 若竹伸幸：「紅色光合成細菌Blastochloris viridisから調製した光合成膜のフェムト秒時間
分解吸収分光」
2. 鈴木聡：「天然及び再構成光合成LH1複合体の電場変調吸収分光測定」

研究助成金取得状況
1.
2.
3.

4.
5.
6.

橋本秀樹：日本学術振興会・基盤研究A「人工光合成色素蛋白複合体超分子配列の機能統御」5,000万円
橋本秀樹：文部科学省・萌芽研究「酸化還元電位サイクルに同期した新しい超高速時間
分解吸収分光装置の開発」500万円
橋本秀樹：科学技術振興機構・戦略的国際科学技術協力推進事業（日英協力）ナノ空間に配列させた光合成色素蛋白超分子複合体間における超高速励起エネルギー移動過程の
実時間動画撮影技術の確立」3,500万円
杉﨑満：学術振興会・基盤研究B「光合成色素蛋白超分子複合体のコヒーレント制御」1,500万円
杉﨑満：学術振興会・萌芽研究「近紫外〜近赤外をギャップなしでカバーするサブ20フ
ェムト秒光パルスシステムの開発」330万円
藤井律子：学術振興会・若手研究A「時間分解X線構造解析・分光法によるカロテノイドの光保護分子メカニズムの解明」2,900万円

海外出張および海外研修
1.

2.
3.

4.
5.

6.
7.
8.
9.

橋本秀樹：ドイツ，英国（レーゲンスブルグ国際会議場，グラスゴー大学，シェフィールド大学），2006年5月5日～5月14日，戦略的国際科学技術協力推進事業に関する研究打
ち合わせ，及び太陽光発電に関する国際会議で招待講演
橋本秀樹：ドイツ（マックス･プランク研究所），2006年6月8日～6月13日，セミナー発
表 及び研究所打ち合わせ
橋本秀樹：スウェーデン，英国（ユプサラ大学，グラスゴー大学，シェフィールド大学），
2006年6月8日～6月13日，太陽光発電に関する国際会議で研究発表，及び戦略的国際科学
技術協力推進事業に関する研究打ち合わせ
丸山稔：ドイツ（ブレマーハーフェン），2006年7月23日～28日，氷の物理と化学に関する国際会議で研究発表
橋本秀樹：フランス，英国（ポー国際会議場，グラスゴー大学，シェフィールド大学），
2006年8月26日～9月7日，2006年原核光合成細菌国際会議に出席・発表，及び共同研究に関わる討論
藤井律子：フランス，英国（ポー国際会議場，シェフィールド大学），2006年8月26日～
10月10日，2006年原核光合成細菌国際会議に出席・発表，及び共同研究・討論
杉﨑満：中国（人民大学），2006年11月15日～11月19日，超高速現象に関する国際シンポジウムに出席，及び研究発表
藤井律子：中国（人民大学），2006年11月15日～11月19日，超高速現象に関する国際シンポジウムに出席，及び研究発表
橋本秀樹：中国（人民大学），2006年11月15日～11月19日，超高速現象に関する国際シンポジウムに出席，招待講演

2110. 橋本秀樹：米国（ベンチュラ・マリオットホテル），2007年1月6日～1月14日，2007年度
カロテノイドに関するゴードン国際会議にて招待講演
11. 橋本秀樹：ドイツ，英国（バンツモナスタリー，グラスゴー大学，シェフィールド大学），
2007年3月20日～3月31日，光合成アンテナに関する国際ワークショップにて研究発表，
及び戦略的科学技術協力推進事業に関する研究打ち合わせ
12. 杉﨑満：カナダ（トロント大学），2007年3月24日～4月11日，ナノテクノロジー研究所
にて共同研究

その他
1.
2.
3.

「光合成アンテナとコヒーレント現象に関するオープン・ワークショップ」開催，平成18年12月6－7日，大阪市立大学学術情報総合センター会議室
橋本秀樹：日本カロテノイド研究会幹事役員，Carotenoid Science編集委員長
橋本秀樹：国際カロテノイド学会Council Member, Secretary22素励起物理学研究室
坪田
鈴木

誠
教授
正人 講師

P. Louis(PD)小林未知数(PD)

三谷
竹内
藤山
安永

陽(D3)
宏充(M2)
将士(M2)
昌司(M1)

研究概要
1. 量子乱流の熱的散逸機構（坪田、小林）
弱く相互作用するボース粒子系において，ボース・
アインシュタイン凝縮によって生じる巨視的波動関数はGross-Pitaevskii(GP)方程式に従う。このGP方程式に現象論的散逸項を導入することによって，我々のグループは，回転する原子気体BECにおける量子渦格子の形成や，量子乱流におけるコルモゴロフ則の成立などを明らかにしてきた。ここでは，この散逸項の微視的起源を調べるため，温度Tの熱浴と平衡状
態 に あ る 素 励 起 を 記 述 す る Bogoliubov-deGennes(BdG)方程式とGP方程式を連立させることにより，先に導入したような減衰機構が確かにGP方程式に働くことを示した。この定式化を量子乱流に適用し，十分低温では，量子渦の芯より小さいスケールでのみ散逸が働くことが示された。図は，量子渦（青色）が作る量子乱流と， BdG方程式が記述する渦（緑色）が作る古典乱流が結合した，結合乱流状態を示す。
2. 回転する光格子が駆動するBECにおける動的渦状態（坪田）原子気体BECの分野では，光格子（周期ポテンシャル）が作る物理が注目されている。
ここでは，BECの回転とは異なる角速度で光格子を回すことにより，多彩な量子渦状態が現れることを示した。特に，光格子がBECより速く回るときは，渦格子の周期と光格子の周期の非整合により，渦液体状態が出現することが明らかとなった。
3. 交流超流動流れ場中の量子渦の運動（坪田）現在世界的に，振動物体（細線，格子，球など）によって作られる量子乱流の実験が注目されている。この実験を理解すべく，もともと存在する残余渦に交流流れ場を印加することにより，量子乱流が生成することを数値計算により示した。交流流れ場に共鳴するケルビン波が渦糸上に励起され，その振幅が増大すると多数の再結合を経て，量子乱流に至る。このシナリオは基本的には正しいと思われるが，実験で観測される層流—
乱流遷移のヒステリシスなど不明な点は多く，さらなる検討が必要である。
4. 量子乱流中の自己相似構造（坪田，三谷）
量子乱流は量子渦によって構成される。量子乱流が示すコルモゴロフ則は波数空間における自己相似性を表す。一方，量子渦の実空間での自己相似性が明らかになれば，波数空間との対応を考える上で非常に興味深い。ここでは，そのような量子乱流中の渦糸23

の長さ分布に関する理論的および数値的研究を行った。巨大ネットワークにおける自己相似構造を説明するBarabasi-Albertモデルを，再結合を行う量子乱流用に改良し，量子渦がその長さに反比例する分布を示すことを明らかにした。

教育・研究業績
学術論文
1. M. Kobayashi and M. Tsubota, ”Thermal dissipation in quantum turbulence” Phys. Rev. Lett. 97
145301 (2006).
2. K. Kasamatsu and M. Tsubota, ”Dynamical Vortex Phases in a Bose-Einstein Condensate D
riven by a Rotating Optical Lattice” Phys. Rev. Lett. 97 240404 (2006).
3. R. Hanninen, M. Tsubota, and W. F. Vinen, “Generation of turbulence by oscillating structures in superfluid helium at very low temperatures” Phys. Rev. B 75 064502 (2007).
4. C. F. Barenghi, R. Hanninen, and M. Tsubota, “Anomalous translational velocity of vortex r
ing with finite-amplitude Kelvin waves” Phys. Rev. E 74 046303 (2006).
5. 坪田誠、小林未知数: 「量子乱流研究の最近の発展」 日本物理学会誌 62（１月号） 150(2007)
6. 坪田誠, 「量子乱流の解明」 機械の研究 59 17 (2007).
7. M. Tsubota: “Quantum Turbulence - Another da Vinci Code –“ Prog. Theor. Phys. Suppl. 166 152(2007).
8. M. Kobayashi and M. Tsubota, “Decay of Quantized Vortices in Quantum Turbulence” J. L
ow. Temp. Phys. 145 209 (2006).
9. M. Kobayashi and M. Tsubota, “Localization of Bose-Einstein Condensate and Disappearance of Superfluidity of Strongly Correlated Bose Fluid in a Confined Potentia”l AIP Conferenc
e Proceedings 850 287-288 (2006).
10. M. Tsubota and M. Kobayashi, “Inertial Range and the Kolmogorov Spectrum of Quantum
Turbulence”, AIP Conference Proceedings 850 219-220 (2006).
11. A. Mitani, Risto Hanninen, and M. Tsubota, “Critical Velocity for Superfluid Turbulence atHigh Temperatures”, AIP Conference Proceedings 850 221-222 (2006).
12. Risto Hanninen, A. Mitani, and M. Tsubota, “Simple Pinning Model for Vibrating Wire Tu
rbulence in Superfluid Helium at Zero Temperature” AIP Conference Proceedings 850 217-2
18 (2006).
13. R. Kanamoto and M. Tsubota, “Energy Spectrum of Fermions in a Rotating Boseon-Fermi
on Mixture”, AIP Conference Proceedings 850 59-60 (2006).
14. H. Takeuchi, Kenichi Kasamatsu, and M. Tsubota, “Vortex Structures in Rotating Two-Com
ponent Bose-Einstein Condensates in an Anharmonic Trapping Potential” AIP Conference Pr
oceedings 850 57-58 (2006).
15. P. J. Louis, E. A. Ostrovskaya, and Y. S. Kivshar, _”Matter-Wave Solitons In Optical Sup
erlattices” AIP Conference Proceedings 850 51-52 (2006).
16. A. P. Finne, V. B. Eltsov, R. H&aumlnninen, N. B. Kopnin, J. Kopu, M. Krusius, M. Ts
ubota, and G. E. Volovik, “Dynamics of vortices and interfaces in superfluid 3He” Rep. Pro
g. Phys. 69 3157-3230 (2006).
国際会議講演1. Makoto Tsubota, “Thermal dissipation of quantum turbulence (invited)”Workshop on Quantum Turbulence, Florida, USA, 2006. 11. 16-17.
2. Makoto Tsubota, “Numerical analysis of quantum turbulence (invited)”2006 59th Annual Me
eting of the APS Division of Fluid Dynamics, Tampa, USA, 2006. 11. 19-21
3. Makoto Tsubota, “Quantum turbulence - Another da Vinci code - (invited)”,International Sy
mposium on Quantum Mechanics and Chaos, Osaka, Japan, 2006. 9. 19-21.

24

4. Pearl J. Y. Louis,"Dirty" Bosons in Disordered Optical Potentials”,International Symposiumon Quantum Mechanics and Chaos, Osaka, Japan, 2006. 9. 19-21.
5. Michikazu Kobayashi,”Dynamics and statistical properties of quantized vortices in quantum turbulence”International Symposium on Quantum Mechanics and Chaos, Osaka, Japan, 2006. 9.
19-21.
6. Shouji Fujiyama, “The vortex pinning at 0K”,International Symposium on Quantum Mechanics and Chaos, Osaka, Japan, 2006. 9. 19-21.
7. Masashi Yasunaga,”Dynamics of vortex lattice formation in a rotating Bose-Einstein condens
ate with an optical lattice”, International Symposium on Quantum Mechanics and Chaos, Osaka, Japan, 2006. 9. 19-21.
8. Perl J. Y. Louis,"Dirty" Bosons in Disordered Optical Potentials”_International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kyoto, Japan, 2006. 8. 1-6.
9. Michikazu Kobayashi,”Dissipation of Gross-Pitaevskii Turbulence Coupled with Thermal Excitations”, International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kyoto, Japan, 2006. 8. 1-6.
10. Akira Mitani,”Self-Organization of Vortex Line Length Distribution in Dilute Superfluid Tu
rbulence”, International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kyoto, Japan, 2006. 8. 16.
11. Hiromitsu Takeuchi,”Boojums in Rotating Two-Component Bose-Einstein condensates”, International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kyoto, Japan, 2006. 8. 1-6.
12. Shoji Fujiyama,”The vortex pinning at 0k”,International Symposium on Quantum Fluids an
d Solids, Kyoto, Japan, 2006. 8. 1-6.
13. Masashi Yasunaga,”Dynamics of vortex lattice formation in a rotating Bose-Einstein conden
sate with an optical lattice”,International Symposium on Quantum Fluids and Solids, Kyoto, Ja
pan, 2006. 8. 1-6.
14. Pearl J. Y. Louis,"Dirty bosons in disordered optical potentials"20th International Conferen
ce on Atomic Physics, Innsbruck Austria, 2006. 7.16-21
15. Makoto Tsubota, “Numerical Analysis of Quantum Turbulence (Invited)”,ULTI Users Meeti
ng "Quantum Phenomena at Low Temperatures", Lammi Finland, 2006. 4.21-26
16. Shouji Fujiyama, “The vortex pinning at 0K”, ULTI Users Meeting "Quantum Phenomena
at Low Temperatures", Lammi Finland, 2006. 4.21-26
17. Hiromitsu Takeuchi,”Phonon Emission from a Speckle Potential Rotating in an Atomic-Gas
Bose-Einstein Condensate &_Boojums in Rotating Two-Component Bose-Einstein Condensates” ULTI Users Meeting "Quantum Phenomena at Low Temperatures", Lammi Finland, 2006. 4.
21-26
18. Makoto Tsubota, “Numerical Study of Quantum Turbulence (Invited)”, Conference "Condensed
Matter and Materials Physics (CMMP2006)", Institute of Physics, Exeter UK, 2006. 4.20 M. Tsubota,“Numerical Analysis of Quantum Turbulence” (Invited), ULTI Users Meeting Quantum Phenomena at
Low Temperatures, Lammi Finland, 2006. 4.21-26
学会・研究会講演
1. 笠松健一, 坪田誠, 「回転光格子中のボース凝縮体における動的な量子渦相」,日本物理学会、2007年春期大会、鹿児島大学
2. Pearl J. Y. Louis, Makoto Tsubota, 「Boson dynamics in disordered optical potent
ials」、日本物理学会、2007年春期大会、鹿児島大学
3. 竹内宏光, 坪田誠, 「ボースアインシュタイン凝縮体におけるゼリドヴィッチ・スタロビ
ンスキー効果：カーブラックホールとのアナロジー」日本物理学会、2007年春期大会、鹿児
島大学
4. 小林未知数, 坪田誠、「熱揺らぎと結合したＧＰモデルにおける超流動乱流の減衰機構I
I」日本物理学会、2007年春期大会、鹿児島大学

25

5. 小林未知数、「量子流体力学および量子乱流の理論的研究とその発展」、群馬大学工学部
共通講座セミナー、2007. 6. 29
6. 坪田誠、「量子乱流 -もう一つのダ・ヴィンチ・コード-」分子科学研究所第７０回分子科学フォーラム、2007. 6. 27
7. 坪田誠、「量子乱流 -もう一つのダ・ヴィンチ・コード-」、北海道大学第１１３回エンレイソウの会、2007. 6. 22
8. 坪田誠、「Quantum Turbulence -Another Da Vinci Code-」、東京大学大学院理学系研究科、2007. 2. 8
9. Makoto Tsubota,”Topics on Quantum Turbulence”, Helsinki University of Technolo
gy, 2007. 2. 22
9. M. Tsubota,”Quantum Turbulence -Another Da Vinci Code-“特定領域研究「スーパーク
リーン物質で実現する新しい量子相の物理」、平成１８年度研究成果報告会、淡路島国際夢
舞台会議場
10. M. Yasunaga and M. Tsubota,”Dynamics of vortex lattice formation in a rotating
Bose-Einstein condensate with an optical lattice”, 特定領域研究「スーパークリーン
物質で実現する新しい量子相の物理」、平成１８年度研究成果報告会、淡路島国際夢舞台会
議場
11. H. Takeuchi and M. Tsubota,「Zel'dovich-Starobinsky Effect in Atomic Bose-Einst
ein Condensates: Analogy to Kerr Blach Hole」、特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子相の物理」、平成１８年度研究成果報告会、淡路島国際夢舞台会議場
12. P. J. Y. Louis and M. Tsubota、「Bosons in Disordered Optical Potentials、特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子相の物理」、平成１８年度研究成果
報告会、淡路島国際夢舞台会議場
13. M. Kobayashi and M. Tsubota,”Thermal Dissipation Mechanism in Gross-Pitaevskii
Turbulence”,特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子相の物理」、平成
１８年度研究成果報告会、淡路島国際夢舞台会議場
14. S. Fujiyama, R. H&aumlnninen, and M. Tsubota、「Vortex pinning to a solid spher
e in helium II」、特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子相の物理」、
平成１８年度研究成果報告会、淡路島国際夢舞台会議場
15. A. Mitani and M. Tsubota、「Self-Organization Vortex Line Length Distribution in Dilute Quantum Turbulence」特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量
子相の物理」、平成１８年度研究成果報告会、淡路島国際夢舞台会議場
16. Pearl J.Y.Louis, Makoto Tsubota,"Dirty" bosons in disordered optical potential,
日本物理学会、2006年秋季大会、千葉大学
17. 小林未知数, 坪田誠、「減衰量子乱流のエネルギースペクトルと渦糸長密度」、日本物理学会、2006年秋季大会、千葉大学
18. 藤山将士, Risto H&aumlnninen, 坪田誠、「渦糸pinningの温度依存性」日本物理学会、2006年秋季大会、千葉大学
19. 安永昌司, 坪田誠、「光格子中を回転する中性原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体のダイナミクス」、日本物理学会、2006年秋季大会、千葉大学
19. 坪田誠、「量子乱流 − もうひとつのダ・ヴィンチ・コード」青山学院大学理工学部
物理・数学科コロミウム、2006. 12. 8
20. 小林未知数、「極低温における量子乱流のエネルギースペクトルと統計」、「光合成アンテナとコヒーレント現象に関するオープン・ワークショップ」
21. S. Fujiyama、「Vortex pinning to a solid sphere in helium II」「光合成アンテナとコヒーレント現象に関するオープン・ワークショップ」
22. P. J. Louis、"Dirty" Bosons in Disordered Optical Potential「光合成アンテナとコ
ヒーレント現象に関するオープン・ワークショップ」
23. 三谷陽、「振動グリッドによる量子乱流形成過程」「光合成アンテナとコヒーレント現26

象に関するオープン・ワークショップ」
24. H. Takeuchi、「Zel'dovich-Starobinsky Effect in Atomic Bose-Einstein Condensate
s: Analogy to Kerr Black Hole」「光合成アンテナとコヒーレント現象に関するオープン・
ワークショップ」
25. M. Yasunaga、「Dynamics of vortex lattice formation in rotating Bose-Einstein condensate with an optical lattice」「光合成アンテナとコヒーレント現象に関するオー
プン・ワークショップ」
26. Makoto Tsubota、「Quantum Turbulence by the Gross-Pitaevskii model」Department
Seminar, University of Maryland, USA, 2006.11.22
27. Makoto Tsubota、「Quantum Turbulence -Another Da Vince Code- (invited)」Departm
ent Colloquium, University of Florida, USA, 2006.11.16
28. 小林未知数、「有限温度の減衰量子乱流における散逸構造の研究」九州大学応用力学研
究所研究集会「乱流現象及び多自由度系の動力学、構造と統計法則」、2006. 11. 23-25
29. 坪田誠、「量子乱流 − もう１つのダ・ヴィンチ・コード」大阪科学賞表彰式・記念
講演（大阪科学技術センター），2006. 11. 1
30.坪田誠、「量子乱流 − もう１つのダ・ヴィンチ・コード」大阪科学賞受賞記念講演会（大阪市立大学学術情報総合センター），2006. 10. 20

学位論文
博士論文
1. 三谷陽：「量子乱流における自己相似構造の発現」
修士論文
1.
竹内宏光：「多成分ボース・アインシュタイン凝縮体で実現する多様な位相欠陥」
2.
藤山将士：「超流動ヘリウム中における渦糸と球状粒子の相互作用」

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.

坪田誠：日本学術振興会・科研費基盤研究(B)「量子流体力学の構築」450万円
坪田誠：文部科学省特定領域研究「スーパークリーン物質における新しい量子相の物理」
計画研究「量子渦の物理と新しい超流動乱流の研究」1,210万円
P. Louis：日本学術振興会特別研究員奨励費 120万円
小林未知数：日本学術振興会科研費（若手研究スタートアップ） 113万円

受賞
1. 坪田誠：第24回大阪科学賞「量子流体力学の研究と新しい超流動乱流の発見」
2. 坪田誠：大阪市立大学学友会賞

27

宇宙線物理学研究室
川上 三郎
林 嘉夫
荻尾 彰一
松山 利夫
小島 浩司

教授
田中 秀樹 (研究員)
助教授
大嶋 晃敏 (D3)講師
奥田 剛司 (M2)
技術職員(システム計測室)(客員教授)

清水 伸明 (M2)
林 潔晃 (M2)
南野真容子(M2)研究概要
１．宇宙粒子線による点源探索と加速機構の研究（川上，林(嘉)，荻尾，松山，小島，田中，大嶋，奥田，清水，林(潔)，南野）
インド・デカン高原南部のOotyで，タタ基礎研究所との共同研究で表題の研究を行っている．この目的で大規模空気シャワー観測装置の建設・運転を継続中である。現在，シンチレーション検出器（1m２）約350台および４基のミューオン検出装置（合計560m２，＞1GeV）でデータ収集を行っており，データを蓄積しつつ解析を行っている．今年度は約40台のシンチ
レーション検出器を増設し，検出面積を広げた。ガンマ線探索のためにミューオン検出器の周辺と，knee以上の領域に対応するためにミューオン検出器からやや遠方に検出器を設置した．ここには Dual PMT type シンチレーション検出器を設置した．これらのデータの解析結
果の内，宇宙線の原子核成分比の解析結果は北京で開かれた国際シンポジウムの招待講演として発表され，高い評価を受けた．また，月の陰を利用した角度分解能の推定結果，カニ星
雲からの高エネルギーγ線強度の観測結果は第３０回宇宙線国際会議で発表するために準備中である．
２．太陽系近傍における宇宙線の異方性の研究（川上，林(嘉)，荻尾，松山，小島，田中，大嶋，奥田，清水，林(潔)，南野）
Ootyの大規模空気シャワー観測装置の一部である４基のミューオン検出装置を使った大面積高精度muon 望遠鏡の運転を引き続き行った．現在，太陽は静穏期を迎えており，顕著な活動は見られなかった．大面積の特徴を利用した超短時間変動（数１０分）の解析を行い，気象との関連を見いだした．また，2003年10月28日にあった太陽面での大爆発の解析結果を論文にまとめた．
３．宇宙線望遠鏡計画 (Telescope Array Project) （川上，林(嘉)，荻尾，松山，小島，田中，
大嶋，奥田，清水，林(潔)，南野）
宇宙線望遠鏡実験は，1018eV以上の最高エネルギー領域宇宙線を観測するための日米国
際共同プロジェクトである．この目的のため，大気蛍光望遠鏡（FD）と地表検出器（SD）
アレイの両方を同時に用いるハイブリッド型観測装置を米国・ユタ州に設置した．
SDアレイはシンチレーション検出器約500台からなり，大阪市立大学を中心として開発・製作が行われ，2006年度末までにほぼ全ての設置が完了し，順次アレイとして稼働開始している．最終的には，琵琶湖の面積を上回る700km2の有効検出面積を持ち，1019eV
以上の宇宙線を年間700例検出するものと期待されている．
一方，FDは2ステーション合計24台の望遠鏡の設置が完了し，2006年度末から観測を開始した．残る1ステーション14台の望遠鏡は米国ユタ大学を中心とするグループが2007
年度半ばまでに設置を完了し，観測装置全体の建設が完了する予定である．

教育・研究業績
学術論文

28

1.

2.

T. Nonaka, Y. Hayashi, S. Kawakami et al.：" Did the 28 October 2003 solar flare accelerate
protons to ≧20 GeV? A study of the subsequent Forbush decrease with the GRAPES-3 tracking
muon telescope”, Physical Review D 74, 052003(2006)
S K Gupta, Y Hayashi et al.：” A high-performance, low-cost, leading edge discriminator”,
PRAMANA, Vol. 65, No. 2(2005) pp. 273-283

国際会議講演
１． 荻尾 彰一：”Telescope Array Experiment”（招待講演），第14回超高エネルギー宇宙線相互作用国際シンポジウム，2006年8月（中国・威海）
２． 川上 三郎：”Study on nuclear composition of Cosmic rays around the knee utilizing muon
multiplicity with GRAPES-3 experiment at Ooty”（招待講演），第14回超高エネルギー宇宙
線相互作用国際シンポジウム，2006年8月（中国・威海）
３．川上 三郎：”GRAPES an Indo-Japan collaboration experiment”（招待講演），高エネルギー
宇宙線国際ワークショップ，2006年12月（インド・Ooty）
学会・研究会講演１．荻尾 彰一：「最高エネルギー宇宙線とGRB」基研研究会「ガンマ線バーストの新しいフ
ロンティア」（京都大学基礎物理学研究所）
２．大嶋 晃敏：「Ooty空気シャワー実験22（角度分解能の評価）」日本物理学会 2006年秋の分科会 奈良女子大学
３． 小島 浩司：「大面積高精度muon 望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究(6)」日本物理学会 2006年秋の分科会 奈良女子大学

学位論文
修士論文
1. 奥田 剛司：「Telescope Array 実験における地表粒子検出器粒子検出部の開発と製作」
2. 清水 伸明：「最高エネルギー宇宙線のハイブリッド測定のための解析方法の研究」
3. 林 潔晃：「GRAPES-3ミューオン望遠鏡による宇宙線強度超短期変動の研究」
4. 南野真容子：「GRAPES-3空気シャワー実験によるカニ星雲からのガンマ線探索」

研究助成金取得状況
1.
2.
3.
4.
5.
6.

川上 三郎：文部科学省・特定領域研究基盤研究「地表検出器の開発とＡＧＡＳＡ検出器による較正」 1490万円
川上 三郎：東京大学宇宙線研究所 共同利用費「CRC将来計画シンポジウム」 75万円
川上 三郎：東京大学宇宙線研究所 共同利用費「宇宙線望遠鏡実験用地表検出器の組み立て」 90万円
荻尾 彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用費「宇宙線望遠鏡実験用大気蛍光撮像カメラの較正装置の開発」 1300万円
林 嘉夫：学術振興会・基盤研究(B)「高エネルギー一次宇宙線の化学的組成と点源探索および恒星時異方性の研究」 220万円
林 嘉夫：東京大学宇宙線研究所 共同利用費 「大型ミューオンテレスコープによる銀河
宇宙線強度の観測」 60万円

海外出張および海外研修
１．川上 三郎：アメリカ・ユタ大学，2006年 7月14日～2006年 7月20日，TA meeting 出席

29

２．川上 三郎：中華人民共和国，2006年 8月14日～2006年 8月24日，第14回超高エネルギー
相互作用国際シンポに出席・発表及び共同研究打ち合わせのため
３．川上 三郎：インド・タタ基礎研究所，2006年12月14日～2006年12月24日，高エネルギー
宇宙線国際ワークショップでの招待講演及び共同研究打ち合わせのため
４．荻尾 彰一：アメリカ・ユタ州，2006年 7月14日～2006年 8月10日，テレスコープアレイの建設
５．荻尾 彰一：中国・威海，2006年 8月14日～2006年 8月24日，第14回超高エネルギー宇宙
線相互作用国際シンポジウム出席
６．荻尾 彰一：アメリカ・ユタ州，2007年 3月 5日～2007年 3月30日，テレスコープアレイの建設
７．林 嘉夫：インド・タタ基礎研究所，2006年 8月 5日～2006年10月10日，空気シャワー
観測による超高エネルギーガンマ線源と宇宙線化学組成の研究
８．奥田 剛司：アメリカ・ユタ州，2007年 9月11日～2007年11月30日，テレスコープアレイの建設
９．大嶋 晃敏：インド・タタ基礎研究所，2006年12月15日～2007年4月 1日，空気シャワー
観測による超高エネルギーガンマ線源と宇宙線化学組成の研究

その他
1.
2.
3.

川上 三郎：ＣＲＣ実行委員長
川上 三郎：東京大学宇宙線研究所共同利用運営委員
川上 三郎：大阪大学核物理センター運営委員30

高エネルギー物理学研究室
奥沢
徹
清矢 良浩
山本 和弘

教授
助教授
講師

脇坂 隆之(D1)柳田 大樹(M2)濱口 敦成(M1)前田 圭介(M1)研究概要
1. 陽子・反陽子衝突型加速器を用いた素粒子実験（奥沢，清矢，山本，脇坂，柳田，濱口）
日米科学技術協力事業の一環として行われている，米国フェルミ国立加速器研究所における陽子・反陽子衝突型加速器テバトロンと汎用型素粒子検出器CDFを用いた実験を継続遂行した． 本年度も，世界最高重心系衝突エネルギー1.96TeVでの「Run-II」と呼ばれるデータ収集作業が，シフト体制のもと，24時間・無休で順調に行われている．加速器ビーム強度は安定して1032 cm−2/sec（例えば，Wボソ
ンを毎秒平均2個生成できる）を超えてお り ， 特 に ， 2007 年 初 頭 に は 2.8×1032
cm−2/secを突破するなど，陽子・反陽子
衝突型加速器としての世界記録を更新している．積分ルミノシティも2007年3月現在で約2700 pb−1 となり，この内，磁気テープに保存され，データ解析に使用可能な分が約2200 pb−1 まで蓄積された (図1)．
研究内容は大別して，強い相互作用・
電弱相互作用・B中間子等フレーバー物
理・トップクォーク・新現象探索であるが，高統計データを用い，続々と新しい結果を得ている．今年度の最大の成果
図1：CDFにおける積分ルミノシティの１つは，ボトムクォークを含む中性 B 中
間子の１つ， Bs （ビーサブエス）について，反粒子 Bs との間の量子論的振動現象の存在を確認し，その振動数を測定したことがあげられる．この振動数は，理論的には小林・益川行
列要素に依存しており，その検証において重要な物理量となっている． Bs 振動の存在確認と振動数測定への挑戦は，素粒子物理学の歴史において約15年という長期に及ぶが，その理由は，振動数が毎秒約３兆回と非常に大きく，実験的確認が困難なためである．
今回，CDF実験がこの長い歴史に区切りをつけたことになる．図2に，解析結果をあげる．この図は，振動現象のフーリエ解
析に相当し，振動が存在する場合には特定の振動数（横軸＝角速度）の位置にピークが現れる．数値的には

Δms = 17.77 ± 0.10(stat.) ± 0.07(syst.) [ps−1]を得た．この結果は，これまでの小林・益川行列要素の研究と矛盾せず，より高
図2： Bs 粒子・反粒子振動解析結果
い精度で行列要素に制限を与えている．
この他，ボトムクォークを含む新しいバリオン（陽子等と同じくクォーク3個からなる粒子）31

Σ b± と，そのスピン励起状態 Σ∗±
b を発見したこと，弱い相互作用の媒介粒子である W ボソンと Z ボソンの間の直接相互作用に由来する WZ 同時生成を初めて確認したこと， W ボソンの
質量を 80413 ± 48 [MeV/c 2 ] という高精度で測定したこと等が特記される．
トップクォークは，テバトロン加速器においてのみ生成可能であり，1994年の我々による発見以来，より詳細な研究結果が得られつつある．特に，その質量測定は， W ボソンの質量測定と合わせることにより，粒子の質量
起源の鍵を握ると考えられている未発見の中性ヒッグス粒子に対する物理的知見を与えるという意義がある．テバトロンでのもう1つの実験（D0実験）と統合した最新結果は

M t = 170.9 ± 1.8[GeV/c 2 ]となっており，中性ヒッグス粒子質量との関係は図3に示されている．
我々の研究室が最も力を入れているのは，素粒子物理学の最重要課題の1つである，その中性ヒッグス粒子直接探索であるが，今年度も引き続き精力的に研究を進めた．我々の探索モードはpp → Wh0 → WWW * →  ±ν  ±ν X

図3：トップクォーク及びＷボソンの質量測定結果と理論的に整合する中性ヒッグス粒子質量範囲で表されるように，W ボゾン随伴生成によるヒッグス粒子が WW * 対へ崩壊し，終状態に同符号の電荷を持つ2つのレプトン（eまたは µ ）が現れるという，S/Nの非常に優れたものである．昨年度の市大グループ
共通解析ツールの構築・効率化と，ヒッグス粒子探索解析手法の点検・強化に引き続き，今年度は一気に1000 pb − 1 までのデータを解析した．最終的な結果はまだ出ていないが，背景事象（バックグラ
ウンドまたはノイズ）に対する我々の現在の理解とデータとの間にずれがあり，精査している段階である．我々以外のグループを含めたヒッグス粒子探索の現在の様子は図4の通りである．縦軸上の1は
図4：CDF実験とD0実験を統合して得られたヒッグス粒子探索の結果とデータから許容される生成断面積の上限
理論予測との比較
値と理論値が等しいことを意味し，従って，1より小さい領域のヒッグス粒子質量（横軸）は排除されることになる．排除領域はまだ得られていないが，さらなるデータ蓄積と解析手法の高度化により改善が期待されている．
また，標準模型以外で理論予想されるヒッグス粒子も探索を行っており，特に現在は2HD
M(Two-Higgs-Doublet Model) Type-I のモデルに現れる中性ヒッグス( h0f )探索に力を入れている．これは，

32

pp → H + h0f → W ∗+ h0f h0f → 4γ + Xという生成崩壊過程により終状態にγが４つ現れる特徴的なモードが得られ，S/Nを効率的に上げられると思われる．シミュレーション計算による収量予測の詳細は修士論文1を参照
して頂きたい．

2. νμ̶ντ振動実験（奥沢）スイス，ジュネーブにある欧州共同利用原子核研究所(CERN)で行ったνμ̶ντ振動実験の解析を継続している．この実験は，ニュートリノの質量の有無を調べることを主目的としている．現在は，原子核写乾板の画像測定はほぼ終了した．この乾板中に記録された反応は，通常のν原子核反応としても扱えるので，これを利用し，チャームクォークの質量の精密計
測，ν原子核反応前段面積の測定なども行っていて、最終段階になりつつある．

3. 長基線ニュートリノ振動実験（奥沢，清矢，山本，前田，濱口）J-PARC（茨城県東海村）からスーパーカミオカンデ（岐阜県飛騨市）に大強度の人工ニュートリノを打ち込み，その間295kmにおけるニュートリノのフレーバー振動現象を探索する
実験T2Kの準備作業が，現在急ピッチで行われている．J-PARCで生成したニュートリノを効率よくスーパーカミオカンデに届けるための非常に重要な要素が，ニュートリノビームを可能
な限り細く集束させる技術である．ニュートリノは，陽子を原子核標的に衝突させたときに生じる大量のπ ±中間子が崩壊して生成されるので，ニュートリノを集束させるには，そのもとになるπ ± ビームを集束させる必要がある．そのために“ホーン”と呼ばれる特殊な電磁石のプロトタイプを製作し，その長期連続稼動耐久試験に加わった．耐久試験は約4ヶ月に及んだが，その間にいくつかの問題点も洗い出すことが出来，実機製作に向けて重要なデータを取ることが出来た．

教育・研究業績
学術論文
1.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement ofσ χ B( χ c2 → J / ψγ ) / σ χ B( χ c1 → J / ψγ )c2

c1

in pp collisions at

s = 1.96 TeV ”, Phys. Rev. Lett. 98,

232001 (2007)
2.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Inclusive search for new physics with likesign dilepton events in pp collisions at3.

s = 1.96 TeV ”, Phys. Rev. Lett. 98, 221803 (2007)

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “First Measurement of the Ratio of CentralElectron to Forward-Electron W Partial Cross Sections in pp collisions atRev. Lett. 98, 251801 (2007)

4.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for new physics in lepton + photon+ X events with 929 pb−1 of pp collisions at

5.

s = 1.96 TeV ”, Phys.

s = 1.96 TeV ”, Phys. Rev. D 75, 112001 (2007)

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Observation of WZ Production”, Phys. Rev.
Lett. 98, 161801 (2007)

33

6.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the Inclusive Jet Cross
Section using the kT algorithm in pp collisions atRev. D 75, 119901 (2007)

7.

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for anomalous production of multilepton events in pp collisions at

8.

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 98, 131804 (2007)

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Search for Exotic S=-2 Baryons in pp
collisions at

9.

s = 1.96 TeV with the CDF II Detector”, Phys.

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D75, 032003 (2007)

A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the Top Quark Mass in

pp collisions at

s = 1.96 TeV using the Decay Length Technique”, Phys. Rev. D75, 071102 (2007)

10. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Precision Measurement of the Top Quark
Mass from dilepton events at CDF II”, Phys. Rev. D75, 031105 (2007)
11. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Analysis of the Quantum Numbers JPC ofthe Χ(3872)”, Phys. Rev. Lett. 98, 132002 (2007)
12. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the Top-quark Mass inall-hadronic decays in pp collisions at CDF II”, Phys. Rev. Lett. 98, 142001 (2007)
13. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the B+ Production Cross
Section in pp collisions at

s = 1960 GeV”, Phys. Rev. D75, 012010 (2007)

14. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the Helicity Fractions of
W Bosons from Top Quark Decays using fully reconstructed t t events with CDF II”, Phys. Rev. D75,
052001 (2007)
15. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Observation of Exclusive ElectronPositron Production in Hadron-Hadron Collisions”, Phys. Rev. Lett. 98, 112001 (2007)
16. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya et al.: “Search for W’ Boson decaying to Electron-

Neutrino Pairs in pp collisions at

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 75, 091101 (2007)

17. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the Ratios of Branching
Fractions B(Bs→Dsπππ)/B(Bd→Ddπππ) and B(Bs→Dsπ)/B(Bd→Ddπ)”, Phys. Rev. Lett. 98,
061802 (2007)
18. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Observation of
Bs0 -Bs0 Oscillations”, Phys. Rev. Lett. 97, 242003 (2006).
19. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “Measurement of the Λb0 Lifetime inΛb0→J/ΨΛ0 in pp collisions at

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 98, 122001 (2007)

20. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya et al.: “Search for V+A Current in Top Quark Decay
in pp collisions at

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 98, 072001 (2007)

21. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of thet t production cross section in pp collisions at s = 1.96 TeV using lepton+jets events with jet
probability b-tagging”, Phys. Rev. D 74, 072006 (2006).
22. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of thet t Production Cross Section in pp collisions atMode”, Phys. Rev. D 74, 072005 (2006).

s = 1.96 TeV using in the All Hadronic Decay

23. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Observation of
Bs0 → K + K − and Measurements of Branching Fractions of Charmless Two-Body Decays of B0 and
Bs0 Mesons in pp Collisions at

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 97, 211802 (2006).

34

24. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Search for Excitedand Exotic Muons in the µ_ Decay Channel in pp Collisions at
191802 (2006).

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 97,

25. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of theBs0 -Bs0 Oscillation Frequency”, Phys. Rev. Lett. 97, 062003 (2006).
26. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of thet t Production Cross Section in pp Collisions at(2006).

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 97, 082004

27. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Search for a Neutral
Higgs Boson Decaying to a W Boson Pair in pp Collisions at
081802 (2006).

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 97,

28. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Top quark massmeasurement from dilepton events at CDF II with the matrix-element method”, Phys. Rev. D 74,
032009 (2006).
29. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of theb jet cross section in events with a Z boson in pp collisions at
032008 (2006).

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 74,

30. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Search for New
Physics in Lepton+Photon+X Events with 305 pb-1 ofLett. 97, 031801 (2006).

pp Collisions at

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev.

31. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of theratio of branching fractions B(D 0 → K +π − ) / B(D 0 → K −π + ) using the CDF II detector”, Phys. Rev.
D 74, 031109(R) (2006).
32. T. Akimoto, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al.: “The CDF Run IIb Silicon Detector: Design,
preproduction, and performance.”, Nucl. Instrum. Meth. A556, 459-481 (2006)
33. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Search for Large
Extra Dimensions in the Production of Jets and Missing Transverse Energy in pp Collisions at
1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 97, 171802 (2006).

s=

34. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of thet t Production Cross Section in pp Collisions at s = 1.96 TeV Using Missing ET+jets Events with
Secondary Vertex b Tagging”, Phys. Rev. Lett. 96, 202002 (2006).
35. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of the
Bc+ Meson Lifetime Using the Decay Mode Bc+ _ J/_e+_e”, Phys. Rev. Lett. 97, 012002 (2006).
36. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Search for HighMass Resonances Decaying to eµ in pp Collisions at(2006).

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 96, 211802

37. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Search for Z´ _ e+eUsing Dielectron Mass and Angular Distribution”, Phys. Rev. Lett. 96, 211801 (2006).
38. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of the
top quark mass using template methods on dilepton events in pp collisions atRev. D 73, 112006 (2006).

s = 1.96 TeV”, Phys.

39. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Observation of
Bs0 → ψ (2S)φ and Measurement of the Ratio of Branching Fractions

B(Bs0 → ψ (2S)φ ) / B(Bs0 → J / ψφ ) ”, Phys. Rev. Lett. 96, 231801 (2006).

35

40. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of the
inclusive jet cross section in pp interactions at
Phys. Rev. D 74, 071103(R) (2006).

s = 1.96 TeV using a cone-based jet algorithm”,

41. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of the
top quark mass with the dynamical likelihood method using lepton plus jets events with b-tags in pp
collisions at

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 73, 092002 (2006).

42. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of thehelicity of W bosons in top-quark decays”, Phys. Rev. D 73, 111103(R) (2006).
43. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “A search for t _ _ _ q
in t t production”, Phys. Lett. B639, 172-178 (2006).
44. A. Abulencia, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Direct Search for
Dirac Magnetic Monopoles in pp Collisions at(2006).

s = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 96, 201801

45. D. Acosta, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (CDF Collaboration): “Measurement of
Bottom-Quark Hadron Masses in Exclusive J/_ Decays with the CDF Detector”, Phys. Rev. Lett. 96,
202001 (2006).

学会・研究会講演
1. 山本 和弘：「CDF実験の最新結果」(招待講演) 日本物理学会2007年春季大会，2007年3月25日~3月28日，首都大学東京南大沢キャンパス

学位論文
修士論文
1. 柳田 大樹：「 pp → 4γ + X による fermiophobic higgs 粒子の探索」

研究助成金取得状況
1. 日米科学協力事業費

350万円

海外出張および海外研修
1.
2.
3.
4.
5.
6.

清矢 良浩：米国フェルミ国立加速器研究所，2006年8月10日~9月10日，陽子・反陽子衝突型加速器を用いる実験CDF
山本 和弘：米国フェルミ国立加速器研究所，2006年11月7日~12月1日，陽子・反陽子衝突型加速器を用いる実験CDF
清矢 良浩：米国フェルミ国立加速器研究所，2006年12月2日~2007年1月8日，陽子・反陽子
衝突型加速器を用いる実験CDF
山本 和弘：米国フェルミ国立加速器研究所，2007年2月26日~3月20日，陽子・反陽子衝突型加速器を用いる実験CDF
清矢 良浩：米国フェルミ国立加速器研究所，2007年3月3日~4月2日，陽子・反陽子衝突型加速器を用いる実験CDF
奥沢
徹：米国フェルミ国立加速器研究所，2007年3月19日~3月31日，陽子・反陽子衝突型加速器を用いる実験CDF

36

重力波実験物理学研究室
神田 展行
阿久津朋美
粟家 律親
本多 了太
徳田充
山岸彰伍

教授
(D2 特別研究学生 (東大))
(M2)
(M2)
(M1)
(B4)

研究概要
本研究室では国立天文台 TAMA300、東大宇宙線研究所との LCGT および CLIO 実験に参加している。主たる研究は、天体からの重力波検出を目的としたデータ解析である。

1. TF クラスタを用いた TAMA300 におけるバースト重力波探索 （本多）超新星爆発から放出されるバースト重力波は、その放出過程が複雑な為に、波形を解析的に予測する事が困難である。そこで、Dimmelmeier らによって数値的に予測された波形 (以下 DFM 波形) をシミュレーションに用いて、バースト重力波の探索方法を検討した。超新星爆発からのバースト重力波の特徴は、最初に 〜 1 msec 幅のスパイク状の急激な振幅の増加があり、その後 〜 10 msec 長のテイルの継続がある。また TAMA300 データにも、スパイク状の非定常雑音がたくさんある。その為に、何らかの方法でこれらを区別する必要がある。そこで本研究では、時間周波数領域における局在した信号のパワーに着目した。
TF(Time-Frequency) 面でのパワー分布の塊 (Cluster) を信号として認識して、その局在したパワー分布の形状を解析することで、超新星爆発からのバースト重力波を解析・探索した（3）。TAMA300 データには、たくさんのスパイク雑音がある。しかし、このスパイク雑音とバースト重力波イベントには、TF クラスタの形状に大きな違いが見られた。最も目立った特徴としては、TAMA300 に含まれるスパイク雑音は周波数方向に広がり、バースト重力波イベントと区別がついた。 DFM 波形を TAMA データに埋め込み、検出効率を求めると、天頂入射 100 pc の距離からのバースト重力波イベントに対して、68 % であった。また、
距離 10 pc 以内での検出効率を求めると、89 % であった。TAMA300 データ DT9 run142(約 35 時間) を探索すると、10 pc 以内におけるイベントレートは、1.4 × 10−3 events/sec
であった。

図 1: TF 平面での超新星バースト重力波波形（TAMA300 データへ埋め込みテスト）

37

図 2: TFC によるバースト重力波の検出効率

2. TAMA による連星合体重力波の探索（神田）
中性子星やブラックホールといったコンパクトで十分大きい質量をもつ連星は、重力波探索のもっとも有力な対象である。それらの合体の数秒〜数十秒前に発生するインスパイラル重力波は、正確な波形（振幅含む）が予想されており、マッチドフィルターと呼ばれる方法で選別できる。この方法による TAMA300 重力波検出器の探索レンジは、典型的な中性子星質量 (1.4M¯ ) について、探索レンジは 70kpc を超える。
この解析における星の質量や振幅の決定精度は、検出器雑音の周波数特性と、重力波にたいする周波数応答を示す伝達函数の較正精度によって左右される。ここでは伝達函数の較正パラメーターの測定精度から、最終的に得られる信号／雑音比についての見積（数値シミュ
レーション）を行い、定量的に評価した。インスパイラル重力波については、大きく見積もっても５〜数％の誤差であるという結論を得た（参考論文 [2]）。

3. レーザー干渉計将来計画 LCGT（神田）LCGT は重力波の将来計画で、低温サファイア鏡を特徴として、神岡鉱山の地下に 3km のレーザー干渉計を建設する計画である。現在、検出器の設計や期待される重力波イベントによる解析のプロポーザルを製作中である。本研究室では、重力波イベントの探索レンジや角分布などの基礎的な計算を行い、検出器の満たすべき用件を策定している。
とくに、複数台の干渉計を用いた場合のコインシデンス／コヒーレンス条件の比較については、参考文献 [1],[3] において共同研究の結果を発表した。

4. 低温鏡レーザー干渉計型重力波検出器 CLIO のアライメント制御（粟家）神岡鉱山内にて建設し、観測実験中の CLIO 検出器の制御関連の研究である。CLIO(Cryogenic Laser Interferometer Observatory) の特徴は、基線長 100m の Fabry-Perot Michelson 干渉計型重力波検出器を地面振動が少ない岐阜県飛騨市の神岡鉱山内に設置し、さらに、熱雑音を抑えるた
めに鏡を 20K まで冷却することである。この Fabry-Perot 共振器を構成する鏡は長時間の運転においては、地面の潮汐変化や振動、レーザー光の入射角ずれによる光軸のミスアライ
メントを補正する必要がある。本研究では WFS(Wave Front Sensing) 法を用いて、CLIOに実装する装置の設計、試験を行った。WFS とはレーザー光の高次モードの波面の測定によって、鏡の傾きに比例する信号を得る方法である。CLIO のパラメータを用いて最適なGuoy Phase を決定し、それに合うようにレンズの配置と QPD(4 分割フォトダイオード)の位置を決定した。また、制御回路、デジタル回路の設計 (アナログ Butterworth フィルタを双一次変換する) を行った結果、デザインでは、UGF0.1Hz、位相余裕 31.8 °を得た。さらに、雑音源として shot noise、ADC,DAC√ の量子化ノイズ、回路の熱雑音を見積もった結果、100Hz で雑音レベル 3.7 × 10−20 [m/ Hz] となり、目標感度に影響を与えないという結果 を得た。

図 3: Fabry=Perot キャビティのミスアライン
メント例

38

図 4: 設計したデジタル制御系の予想雑音

5. 低温鏡干渉計型重力波検出器 CLIO のデータ取得システムとオンラインモニターの構築／
観測データ評価（阿久津）
低温レーザー干渉計 CLIO の観測運転のため、データ取得系とオンラインモニターシステムを構築した。このシステムは dead time 0% でデータを取得・記録する。準リアルタイムでのスペクトル表示も備え、ゆくゆくはオンラインでの解析処理の可能性をもつ構成が採られた。システムは、大阪市大の実験室でテストされた後に神岡鉱山内の CLIO 実験サイトへ移設され、2006 年 11 月には実際に観測運転のデータが取得された。

図 5: CLIO データ取得システム

06 年 11 月の常温での運転（ただし冷凍機自体は動作を ON/OFF して振動の影響を調べている）で、CLIO の連星合体探索レンジは平均約 35 kpc であった。この際、問題となるのが冷凍機の機械的振動の影響等である。データ解析により、若干の影響が確認されており（図7 および図 6）、このあと機械系の改良に役立った。

図 6: CLIO の連星探索レンジ (時系列変化)

図 7: CLIO の連星探索レンジ (ヒストグラム)

6. DECIGO PF の観測とデータの検討（徳田）スペース重力波検出器 DECIGO では、宇宙初期起源の背景重力波の観測が一つの目的である。これのテスト機である DECIGO Path
Finder (DPF) について、衛星軌道における重力波についてのアンテナパターンを計算し、可能な重力波源を検討した。銀河中心観測を想定すると、最適な観測スケジュールは１月な
いし７月後半であり、2 × 103 − 104 M¯ の連星合体ないし 1 × 104 − 4 × 105 M¯ のブラック
ホール準固有振動と評価した。
7. DECIGO/BBO における背景重力波観測のための連星合体重力波取り出しについて（神田）スペース重力波検出器 DECIGO/BBO では、宇宙初期起源の背景重力波の観測が一つの目的である。しかし、数多くのコンパクト連星合体からの重力波があるため、これらを同定して差し引きしなければならない。ところが、連星の数が多いために、同定のための計算

39

の困難さが指摘されている。本研究では、同定した連星合体波形のパラメータ精度や検出器
較正精度、数値演算丸め誤差などがどのように影響するかを検討した。
数値シミュレーションによる評価では、半径 1Gpc 内に一様分布する 105 個の NS-NS 連星の波形のクリーニングは、10−6 程度と高い波形同定が必要であった。ただし、これは合体
時刻での精度であり、DECIGO の感度領域だけに限ると条件は緩くなるかもしれない。また倍精度計算でのデータ処理では、数値丸め誤差が問題にならないことも確認された。
本件は、DECIGO の観測帯域での重要な課題であり、宇宙初期起源の重力波検出を目的とするためにも解決すべき問題である。データ解析の実用上の問題であり、本研究室では次年度もこの問題に注力する。
-22

10

-23

10

DECIGO average spectrum
-24

10

-25

10

sobs (before cleaning)
sclean power spectrum-5∆m/m ~ 10 %-6
∆m/m ~ 10 %-7
∆m/m ~ 10 %
2

3

4

5

6

7 8 9

0.1
Hz

2

3

4

5

6

7 8 9

1

図 8: DECIGO シミュレーションデータ：連星推定誤差の効果の比較

8. recoil mass を用いた二段振り子の性能評価（山岸）テーブルトップの Michelson 干渉計を用いて、制御系の基礎実験をおこなった。日本の干渉計 (TAMA, CLIO) や米国 LIGO においては、鏡 (test mass) 制御のためのコイルーマグネットは一方（コイル側）を固定しているが、欧州の GEO, VIRGO は recoil mass を用いている。recoil mass は test mass と同等に防振されるために防振上は有利であるが、制御が難しくなることや、回路の雑音などの実装上の問題も比較すると、かならずしも TAMA 等の方式が悪いとは限らない。ただし、上手く制御できれば recoil mass 方式は優れた点がある。そこで recoil mass を用いた干渉計を自作し、懸架システムを評価した。

教育・研究業績
学術論文
1. Detecting gravitational waves from inspiraling binaries with a network of detectors: Coherent strategies for correlated detectors,
Hideyuki Tagoshi, Himan Mukhopadhyay, Sanjeev Dhurandhar, Norichika Sago, Hirotaka
Takahashi, and Nobuyuki Kanda,
Phys. Rev. D 75, 087306 (2007)
2. Results of the search for inspiraling compact star binaries from TAMA300’s observationin 2000-2004,
Tomomi Akutsu et al. (TAMA Collaboration),
Phys. Rev. D 74, 122002 (2006).

40

図 9: recoil mass をもちいたレーザー干渉計

3. Detecting gravitational waves from inspiraling binaries with a network of detectors: Coherent versus coincident strategies,
Himan Mukhopadhyay, Norichica Sago,Hideyuki Tagoshi, Sanjeev Dhurandhar, Hirotaka
Takahashi, Nobuyuki Kanda
Phys.Rev. D74, (2006) 083005
4. Joint LIGO and TAMA300 search for gravitational waves from inspiralling neutron starbinaries,
B Abbott et al. (LIGO Scientiﬁc collaboration), T Akutsu et al. (TAMA Collaboration),
Phys.Rev. D73 (2006) 102002
5. Upper limits from the LIGO and TAMA detectors on the rate of gravitational-wave bursts,
B Abbott et al. (LIGO Scientiﬁc collaboration), T Akutsu et al. (TAMA Collaboration),
Phys. Rev. D 72, 122004 (2005)

国際会議会議録（いづれも査読付き）
1. Analysis of gravitational wave bursts in TAMA300 data using an ALF ﬁlter,
T.Akutsu et al.,Class. Quantum Grav. 23 (2006) S715-S721
2. The Japanese space gravitational wave antenna―DECIGO
Seiji Kawamura et al.,Class. Quantum Grav. 23 No 8 S125-S131

学会・研究会講演
1. 粟家律親 「レーザー干渉計 CLIO のデジタルアラインメントコントロール I」日本物理学会 2006 年秋季大会 奈良女子大学

41

2. 本多了太 「多変量クラスターを用いた TAMA300 データのバースト重力波解析 II 」日本物理学会 2006 年秋季大会 奈良女子大学
3. 阿久津朋美 「低温鏡干渉計型重力波検出器 CLIO のデータ取得システムとオンラインモニ
ターの構築」日本物理学会 2006 年秋季大会 奈良女子大学
4. 徳田充 「DECIGO PF の観測とデータの検討」日本物理学会
学東京2007 年春季大会 首都大5. 神田展行 「DECIGO/BBO における背景重力波観測のための連星合体重力波取り出しについて」日本物理学会 2007 年春季大会 首都大学東京
6. 阿久津朋美 ”Result of ﬁrst test run data of CLIO”
11th Gravitational Waves Data
Analysis Workshop（重力波源データ解析国際会議, 第 11 回）2006 年 12 月 18 日 マックス
プランク研究所（ポツダム、ドイツ）
7. 神田展行 「TAMA および CLIO 実験と超新星からのバースト重力波」研究会「超新星を舞台とする高エネルギー物理現象」2007 年 2 月 1 日 東京大学本郷キャンパス
註：上記は登壇者が当研究室のものに限る。

学位論文
修士論文
1. 粟家律親：「低温鏡レーザー干渉計型重力波検出器 CLIO のアライメント制御」
2. 本多了太：「TF クラスタを用いた TAMA300 におけるバースト重力波探索」

研究助成金取得状況
1. 神田展行：日本学術振興会 平成 18 年度 日印自然科学協力事業〔予備交流〕（予算は渡航
実費、滞在実費）

海外出張および海外研修
1. 神田展行：ドイツ ポツダム市 マックスプランク研究所、2006 年 12 月 17 − 22 日、第 11回重力波データ解析国際会議 発表・座長
2. 阿久津朋美：ドイツ ポツダム市 マックスプランク研究所、2006 年 12 月 17 − 22 日、第11 回重力波データ解析国際会議 発表

その他
海外研究者訪問／招聘
1. Prof. Sanjeev V Dhurandhar (ICUAA, 印) : 学術振興会日印自然科学協力事業により来日
2007/3/18-24

42

宇宙・素粒子実験物理学研究室
寺本 吉輝
中野 英一

安倍俊隆
浮島直樹
中川真介
中山雅央
奥野 裕大
前田達矢

助教授
助手

(M2)
(M2)
(M1)
(M1)
(B4)
(B4)

研究概要
1. KEK Bファクトリー加速器による素粒子実験（Belle）（寺本, 中野）高エネルギー加速器研究機構の Belle 実験装置を用いて国際共同実験を行っている.
Belle 実験装置は, Bファクトリー加速器を用いて, 電子・陽電子反応によるB 中間子を大量生産して, CPの破れの検証やB 中間子の崩壊の測定などを行う目的の装置である.
建設に置いて, 我々は高抵抗板素粒子検出器 (RPC) を用いた KL0・ミュー粒子検出器を東北大学などと共同で担当した. データ解析に関しては, 主に荷電粒子の飛跡解析とミュー粒子の同定を担当している. 2006年度の物理解析は，前年に引き続き, 2個の荷電レプトンに崩壊するモードで, 電荷非対称性を測定する方法を用いて, CP の破れの測定を行った.その測定結果は学術雑誌に掲載された.
2. 平行板型素粒子検出器の研究開発（寺本, 中野, 安倍）
高抵抗板素粒子検出器（RPC）は平行な高抵抗板の間にガスを入れ，高抵抗板に8～10 kV程度の電圧をかけることにより, 荷電を持つ素粒子がこれを通過して時, その位置と時間を測定できる装置である． 2006年にはガス封入型RPCについて，アバランチモードのRPCの特性を長期間にわたって測定し，1年以上にわたりガスを流さない状態でRPCが使えることを示した． また，ガス封入型RPCを検出器とするネットワーク型宇宙線観測装置を試作しテストした．
3. ネットワーク型宇宙線観測装置を使った宇宙線観測（寺本, 中野, 中山）
都道府県にまたがって時間相関を持って到来する宇宙線を観測するために,宇宙線の到来時間を GPS を用いてマイクロ秒の精度で決定でき, インターネットを用いてデータをリアルタイムに交換できる簡易型空気シャワー観測装置「宇宙線ステーション」を開発し, 高校や科学館などに配備し大規模な観測網を構築する計画を 1999 年から始めている. 2006年度には前年に引き続き計7台で観測を行なった.今までのところ統計的な揺らぎの範囲を越えた明確な時間相関を持った現象は見られない.
4. ダブルベータ崩壊測定の準備研究（寺本, 浮島）
ニュートリノがディラック粒子かマヨナラ粒子かを区別する方法として, ニュートリノが放出されないダブルベータ崩壊の存在を見つける方法がある.このような崩壊が見つ
かれば、ニュートリノはマヨナラ粒子であるといえる.高エネルギー加速器研究機構, お
よび, 日本の数大学との共同研究でダブルベータ崩壊を測定するための装置の建設の準備研究を行なっている.2006年度は実験装置のエネルギー分解能の測定を行った．
5. Micro Pattern Gas Detector の開発（中野, 中川）
薄型で2次元読み出しを行えるガス測定器の１つであるGEMの他分野への応用を図る目
的で高エネルギー加速器研究機構、佐賀大学、東京理科大学、信州大学と共同開発を行43っている.2006年度は、日本原子力研究開発機構の中性子ビームを用いてテスト実験を行った.その結果を研究会、学会において発表し、中性子検出器としての有用性を示した.
6. Belle CDC のアップグレードの準備研究（中野）近い将来に計画されている KEKB加速器の増強に対応するため、Belle測定器の飛跡検出器のアップグレードの検討を進めている.

教育・研究業績
学術論文
1. M. Staric, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Evidence for D0-D0bar Mixing”, Phys.
Rev. Lett. 98, 211803 (2007)
2. A. Zupanc, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Improved measurement of B0bar→Ds-D+
and search for B0bar→Ds+Ds-”, Phys. Rev. D75, 091102 (2007)
3. Y. Miyazaki, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for Lepton Flavor Violating
τ-Decays into l-η, l-η’ and l-π0”, Phys. Lett. B648, 341 (2007)
4. S. Fratina, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Evidence for CP Violation in B0→D+DDecays”, Phys. Rev. Lett. 98, 221802 (2007)
5. P. Chang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Improved Measurements of Branching
Fractions and CP Asymmetries in B→ηh Decays”, Phys. Rev. D75, 071104(R) (2007)
6. C. H. Wang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of charmless B Decays
to ηK* and ηρ”, Phys. Rev. D75, 092005 (2007)
7. J. Schuemann, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for B decays into η’ρ, η’K*, η’φ,
η’ω, η’η(’) at Belle”, Phys. Rev. D75, 092002 (2007)
8. G. Pakhlova, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of the near-threshold e+e-→D(*)D*barcross section using initial state radiation”, Phys. Rev. Lett. 98, 092001 (2007)
9. A. Kusuka, C. C. Wang, H. Ishino, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of CP
Asymmetry in a Time Dependent Dalitz Analysis of B0→(ρπ)0 and a Constraint on the CKM
Angle φ2”, Phys. Rev. Lett. 98, 221602 (2007)
10. T. Mori, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “High statistics study of the f0(980) resonance in
γγ→π+π- production”, Phys. Rev. D75, 051101(R) (2007)
11. M. C. Chang, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of the decay B0→J/ψη”, Phys.
Rev. Lett. 98, 131803 (2007)
12. S. W. Lin, P. Chang, E. Nakano, Y.Teramoto, et al.: “Observation of B decays to Two Kaons”,
Phys. Rev. Lett., 98, 181804 (2007)
13. N. Satoyama, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “A Search for the Rare Leptonic Decays B+→μ+ν
and B+→e+ν”, Phys. Lett. B647, 67 (2007)
14. C. Schwanda, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Moments of the Hadronic Invariant Mass
Spectrum in B→χclν Decays at Belle”, Phys. Rev. D75, 032005 (2007)
15. O. Tajima, H. Hayashii, M. Hazumi, K. Inami, Y. Iwasaki, S. Uehara, E. Nakano, Y. Teramoto, etal.: “Search for Invisible Decays of the Upsilon(1S)”, Phys. Rev. Lett., 98, 132001 (2007)
16. A. Sokolov, M. Shapkin, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of the decay
Upsilon(4S)→Upsilon(1S)π+π-”, Phys. Rev. D75, 071103 (2007)
17. Y. Ushiroda, K. Sumisawa, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Time-Dependent CP Asymmetries in
B0→KSπ0γ Transitions”, Phys, Rev, D74, 111104(R)(2007)
18. H. Ishino, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of Direct CP-Violation in B0→π+πDecays and Model-Independent Constraints on φ2”, Phys. Rev. Lett. 98, 211801(2007)
19. N. Gabyshev, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of decay mechanisms in B-→ΛC+pbarπ-44decay and observation of anomalous structure in the (ΛC+pbar) system”, Phys. Rev. Lett., 97,
242001 (2006)
20. A. Garmash, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Dalitz Analysis of Three-body Charmless
B0→K0π+π- Decay”, Phys. Rev. D75, 012006(2007)
21. Q. L. Xie, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for B+→J/ψη’K+ and B0→J/ψη’KS0
Decays”, Phys. Rev. D75, 017101 (2007)
22. A. Drutskoy, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of inclusive DS, D0 and J/ψrates anddetermination of the BS(*)BbarS(*) production fraction in b bbar events at the Υ(5S) resonance”,
Phys. Rev. Lett. 98, 052001 (2007)
23. P. Urquijo, E. Barberio, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Moments of the electron energy
spectrum and partial branching fraction of B→χCeν decays at Belle”, Phys. Rev. D75, 032001(2007)
24. K. –F. Chen, K. Hara, M. Hazumi, T. Higuchi, K. Miyabayashi, Y. Nakamura, K. Sumisawa, O.
Tajima, Y. Yusa, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of time-dependent CP violation in
B0→η’K0 decays and improved measurements of CP asymmetries in B0→φK0, B0→KSKSKS and
B0→J/ψK0 decays”, Phys. Rev. Lett. 98, 031802 (2007)
25. K. S. Park, H. Kichimi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of the charmed baryonic decays
B0bar to ΣC++pbarπ- and B0bar to ΣC0pbarπ+”, Phys. Rev. D75, 011101(R) (2007)
26. Chun-Min Jen, P. Chang, E. Nakano, Y.Teramoto, et al.: “Improved measurements of branching
fractions and CP partial rate asymmetries for B to ωK and B to ωπ”, Phys. Rev. D74, 111101(2006)
27. K. Inami, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “First Observation of the Decay τ→φK-ντ”, Phys.
Lett. B643, 5-10 (2006)
28. S. Blyth, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Improved Measurements of Color-suppressed Decays
B0bar→D0π0,D0η,D0ω,D*0π0,D*0η,D*0ω”, Phys. Rev. D74, 092002 (2006)
29. R. Kumar, J. B. Singh, E. Nakano, Y.Teramoto, et al.: “Observation of B∓ to χC1π∓ and Search
for Direct CP Violation”, Phys. Rev. D74, 051103(R) (2006)
30. G. Gokhroo, G. Majunder, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of near-thresholdenhancement in the D0D0barπ0 invariant mass in B→D0D0barπ0K decay”, Phys. Rev. Lett. 97,
162002 (2006)
31. Ruslan Chistov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of New States Decaying into
ΛC+K-π+ and ΛC+KS0π-”, Phys. Rev. Lett. 97, 162001 (2006)
32. C. – H. Wu, M. – Z. Wang, E. Nakano, Y. Teramoto et al.: “Study of J/φ to ppbar,
ΛΛbar and observation of ηC to ΛΛbar at Belle”, Phys. Rev. Lett. 97, 162003(2006)
33. Y. Miyazaki, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for lepton violating τ decays
with a KS meson”, Phys. Lett. B639, 159 (2006)
34. P. Krokovny, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of the Quark Mixing
Parameter cos2φ1 Using Time-Dependent Dalitz Analysis of B0bar→D[KSπ+π-]h0”,
Phys. Rev. Lett. 97, 081801 (2006)
35. F. Fang, T. E. Browder, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for the hC mesonin B∓ →hCK∓ ”, Phys. Rev. D74, 012007 (2006)
36. A. Poluektov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of φ3 with Dalitz plot
analysis of B∓ →D(*)K(*)∓ decay”, Phys. Rev. D73, 112009 (2006)
37. L. Widhalm, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of D0→πlν(Klν) Form
Factors and Absolute Branching Fractions”, Phys. Rev. Lett. 97, 061804 (2006)
38. K. Ikado, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Evidence of the Purely Leptonic Decay
B→τν”, Phys. Rev. Lett., 97, 251802 (2006)
39. T. Hokuue, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of branching fractions
and q2 distributions for B→πlν and B→ρlν Decays with B→D(*)lν Decay Tagging”,

45

Phys. Lett. B648, 139 (2007)
40. F. J. Ronga, T. R. Sarangi, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurements of CP
Violation in B0→D*-π+ and B0→D-π+ Decays”, Phys. Rev. D73, 092003 (2006)
41. Y. Yusa, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Search for neutrinoless decays τ→lhh
and τ→lV0”, Phys. Lett. B640, 138 (2006)
42. A. Ishikawa, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of Forward-Backward
Asymmetry and Wilson Coefficients in B→K*ll”, Phys. Rev. Lett. 96, 251801 (2006)
43. J. Schuemann, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Evidence of B→η’π and improved
measurements of B→η’K”, Phys. Rev. Lett. 97, 061802 (2006)
44. R. Seidl, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of Azimuthal Asymmetries
in Inclusive Production of Hadron Pairs in e+e- Annihilation at Belle”, Phys. Rev.
Lett. 96, 232002 (2006)
45. D. Mohapatra, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of b→dγ and
Determination of |Vtd/Vts|”, Phys. Rev. Lett. 96, 221601 (2006)
46. J. Dragic, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Measurement of Branching Fraction and
Direct CP Asymmetry in B0→ρ0π0”, Decays”, Phys. Rev. D73, 111105(R) (2006)
47. K. Abe, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Study of B∓ →DCPK∓ and DCP*K∓ decays”,
Phys. Rev. D73, 051106(R) (2006)
48. N. Gabyshev, E. Nakano, Y. Teramoto et al.: “Observation of B+→ΛC+ΛC-K+ and
B0→ΛC+ΛC-K0 decays”, Phys. Rev. Lett. 97, 202003 (2006)
49. A. Garmash, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Evidence for Large Direct CP Violationin B∓ →ρ(770)K∓ from Analysis of the Three-Body Charmless B∓ →K∓ π∓ π∓ Decay”,
Phys. Rev. Lett. 96, 251803 (2006)
50. K. Abe, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of a new charmonium state
in double charmonium production in e+e- annihilation at √s∼ 10.6 GeV”, Phys. Rev.
Lett. 98, 082001 (2007)
51. R. Chistov, E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Observation of B+→χCbarΛC+ andEvidence for B0→χC-ΛC+”, Phys. Rev. D74, 111105(R) (2006)
52. E. Nakano, Y. Teramoto, et al.: “Charge Asymmetry of Same-Sign Dileptons in B0B0bar
Mixing”, Phys. Rev. D73, 112002 (2006)
学会・研究会講演
1. 浮島直樹ほか：「二重ベータ崩壊実験装置 DCBA-T2 におけるエネルギー分解能の研究」日
本物理学会 2006 年秋季大会 奈良女子大学
2. 浮島直樹ほか：「DCBA 測定器におけるエネルギー分解能の研究 IV」日本物理学会 2007年春季大会 首都大学東京
3. 中川真介：「GEM を用いた中性子検出器の開発 2」第３回 MPGD 研究会 2007 年 1 月 佐賀大学
4. 中川真介ほか：「GEM を使った中性子検出器の性能評価」日本物理学会 2007 年春季大会
鹿児島大学

学位論文
修士論文
1. 安倍俊隆：「密封型ガラス RPC の研究開発」
2. 浮島直樹：「二重ベータ崩壊測定器 DCBA-T2 における位置分解能，及びエネルギー分解
能の研究」

46

素粒子論研究室
牲川 章

教授

乾 雅博 (D3)

幸山 浩章 (D2)研究概要
1. クーロンゲージ QCD の繰り込み理論（牲川）現在のミクロ世界の基本理論である、量子電気力学（ QED ）、量子色力学（ QCD ）、電弱理論は全てゲージ理論である。 QED はアーベル型ゲージ理論（アーベル群をゲージ化した理論）で、QCD と電弱理論は非アーベル型ゲージ理論である。ゲージ理論は、ゲージ不変性（ゲージ変換の元で理論が不変）という特徴をもっている。実際の解析に際して、この不変性を利用して、解析の目的にとって便利なゲージを選ぶ。よく使われる「ゲージ」にクーロンゲージがある。このゲージの最も顕著な特徴は、理論が「物理的な場（粒子）」のみで書かれているという事実である。 QED の場合は、そのゲージ粒子である光子の横波成分（物理的モード）のみで記述されていて、縦波成分や時間的成分は現れない。（但し、非アーベル型のゲージ理論では、他の多くのゲージの場合同様、非物理的な FP-ghost という場を導入しなければならない。）このゲージではローレンツ不変性が損なわれている。
理論形式にはハミルトン（ H) 形式とラグランジュ（ L) 形式がある。前者の形式では、クーロン場は “電荷” で、即ち “荷電粒子” の場で記述される。アーベル型ゲージ理論の場合は、この形式で無矛盾な理論が大昔に完成している。非アーベル型ゲージ理論の場合はゲージ
粒子も “電荷” をもつため、クーロン場の決定方程式が非線形となり、逐次的にしか解けないために、この形式は複雑なものになる。以下では非アーベル型ゲージ理論に話を限る。
量子場理論の摂動計算では紫外発散が現れる。物理的に意味のある予言（有限量）を得るには「繰り込み操作」が必要である。理論が無矛盾であるためには、摂動の任意の次数での繰り込み可能性が証明されなければならない。この「繰り込み可能性の証明」は、理論の持
つ BRST 対称性より導かれる、種々の繰り込み因子の間に成り立つ関係式（狭義のスラフ
ノフ・テーラー（ ST ）恒等式）を導くことを通じてなされる。H 形式では、この証明は既に存在する。しかしながら、L 形式での証明は未だなされていなかった。論文１でそれを行った。（学術論文１、学会・研究会講演５）

2. クーロンゲージ QCD に現れるエネルギー発散の相殺と繰り込み可能性（牲川、乾、幸山）
クーロン場が媒介するクーロン力は直達力のため、その伝播子は 3 元運動量のみの関数で、4 元運動量のエネルギー成分を含まない。それ故、摂動計算の際、 4 元運動量のエネルギー成分に関する積分に発散が現れる場合がある（エネルギー発散）。上述のように、H 形式
ではクーロン場は “荷電” をもつ物質場で書けていて直接には現れないので、エネルギー発散の問題はないように見える。しかしながら、繰り込みを行うとエネルギー発散が現れる。
論文２で、L 形式を用い、全てのエネルギー発散が、繰り込みと両立する形で、摂動の全次数で相殺されることを証明した。この証明で、論文１で導いた ST 恒等式が決定的役割を果たす。（論文２では、QCD を例にとって議論したが、他の非アーベル型ゲージ理論も全く同様に扱える。）（学術論文２、学会・研究会講演５）

3. スピン偏極した２ SC カラー超伝導相クォーク物質の研究（牲川、乾、幸山）
中性子星に代表される「コンパクト星」の中心はクォーク物質である可能性が指摘されている。又、数年前、クオーク星が存在する可能性が報告されたが、これが事実なら、クォー
ク星は、文字どうりクォーク物質である。このような状況からクォーク物質、特にその相構造の解明の研究が活発になってきている。クォーク物質には、カイラル対称性が破れた相（χ 凝縮相）、種々のカラー超伝導相（ CSC ）、強磁性相（ FM ）が存在する可能性が指摘されている。又、χ 凝縮相と CSC 相の混在する相や FM 相と CSC 相の混在相が存在する可能性も指摘されている。

47

２フレーバー・クォーク物質（ u-クォークと d-クォークからなるクォーク物質) はクォーク
数密度が核密度と比較してやや高く、絶対０度を含む相対的に低温の領域で２ SC 相と呼ばれるカラー超伝導相にあるとされている。他方、クォーク数密度がもっと低い領域では χ 凝縮相にある。それらの間に、これら両相の混在相が存在する可能性が指摘されている。
スピン偏極した２ SC 相クォーク物質を解析した。この領域にあるクォーク物質は相対論的場の量子論で扱わねばならず、スピンは良い量子数ではなくなる。相対論的枠組みでは、ス
ピン偏極はパウリ−ルバンスキー演算子を導入することにより定義される。この意味で定義された「偏極２ SC クォーク物質」の安定性は熱力学ポテンシャルの評価を通じて判定される。クォーク物質を扱う際の基礎理論である量子色力学の低エネルギーでの有効理論である（ diquark 凝縮を扱えるように拡張された）Nambu–Jona-Lassinio (NJL) 模型を採用し、それを偏極したクォーク物質の場合に拡張した。それに基づいて、熱力学ポテンシャル Ω を
平均場近似で評価した。その結果次の諸点が明かになった：(a) NJL 模型は２種類の結合定数（スカラー結合定数、 diquark 結合定数）を含む。結果
は、これら２種類の結合定数に敏感に依存するが、定性的に以下の２点は結合定数の選び方によらずに成立する。
(b) 低温領域：バリオン数化学ポテンシャルのある領域で、χ 凝縮相と２ SC 相の混在相が存在する。上述の２つのパラメータの値によって若干様相は違うが、diquark 凝縮が顕著でない領域では、非偏極状態が準安定状態で、最大に偏極した状態が絶対安定状態である。両状態の間にはポテンシャル障壁が存在する。他方、diquark 凝縮が支配的な領域では非偏極状態が絶対安定状態である。
(c) 高温領域：高温になるにつれて χ 対称性が回復していき、 diquark 凝縮もほぼ消滅する。この領域では熱力学ポテンシャルは偏極の度合いが大きくなるほど小さくなり、最大に偏極した状態が最安定となる。この結果は「直感」に反するので、NJL 模型は高温領域では有効でない可能性がある。（学会・研究会講演１、３）
4. 化学ポテンシャルのある系で生起する過程を表す熱振幅の熱演算子による表示（牲川、幸山、乾）
これは昨年度行った研究で、今年度、学会・研究会講演２、４で発表した。

教育・研究業績
学術論文
1. A. Niégawa: ”Renormalization in Coulomb-gauge QCD within the Lagrangian formalism”,
Phys. Rev. D 74 (2006) 045021-1-9.
2. A. Niégawa, M. Inui and H. Kohyama: ”Cancellation of energy-divergences and renormalizability in Coulomb gauge QCD within the Lagrangian formalism”, Phys. Rev. D 74
(2006) 105016-1-10.

学会・研究会講演
1. M. Inui, H. Kohyama and A. Niégawa: 「 Ferromagnetism of quark matter in the two-flavor
color superconducting phase 」物理学会 2006 年秋季大会 10 月 29 日〜 11 月 3 日（ハワイ）
2. H. Kohyama, M. Inui and A. Niégawa: 「 Thermal operator representation of thermal field
theory 」物理学会 2006 年秋季大会 10 月 29 日〜 11 月 3 日（ハワイ）
3. 乾雅博、幸山浩章、牲川章：「 Ferromagneism in 2SC color superconductor with chiralcondensation 」基研研究会「熱場の量子論とその応用」 2006 年 8 月 23-25 日 京都大［素粒子論研究 114 (2006) C37-C39 ］

48

4. 幸山浩章、乾雅博、牲川章：「 Thermal operator representation of finite-temperature quantum
field theory in the presence of chemical potential 」基研研究会「熱場の量子論とその応用」
2006 年 8 月 23-25 日 京都大学［素粒子論研究 114 (2006) C115-C116 ］
5. 牲川章、乾雅博、幸山浩章：「クーロンゲージ QCD におけるエネルギー発散の相殺と繰り込
み可能性」基研研究会「熱場の量子論とその応用」 2006 年 8 月 23-25 日 京都大学［素粒子論研究 114 (2006) C141 ］

その他
1. 牲川章：テーマ「物理学最前線−−−ミクロ世界からマクロ世界まで」個別テーマ「ミクロ世界の最前線−−−宇宙の歴史とのつながり」専門家講座 2006 年 4 月 3 日大阪市立大学文化交流センター2. 牲川章：「ミクロ（素粒子）世界の統一理論を目指して」出張授業 2006 年 12 月 9 日 洛星高校
3. 乾雅博：「 PMS 処方による QGP 圧力の最適化」 2006 年 12 月 15 日 大阪大学原子核理論ミーティング

研究助成金取得情況
1. 牲川章：日本学術振興会科学研究費補助金・基盤研究 (C)「高密度クォーク物質中での強磁性相の自発的生成と強磁場の出現に関する研究」（分担）49

数理物理研究室
糸山浩司
安井幸則

教授
助教授

大田武志 (COE 上級研究所員)
木原裕充 (COE 研究所員)
藤原和人 (D3)
濱本直樹 (D2)吉岡礼治 (D2)
丸吉一暢 (D1)

宝利
米村
燈下
西田
藤井
湊

剛 (M2)
啓 (M2)
将樹 (M1)
真人 (M1)
陽介 (M1)
彰史 (B4)

研究概要
1. 自発的に破れた超対称性による Dijkgraaf-Vafa 関係式の変形（糸山、丸吉、米村）:
2004 年度より藤原、糸山、阪口によって研究されている N = 2 から N = 1 へ自発的に破れた超対称性を持つ U (N ) ゲージ模型について、その量子的なふるまいを調べた。特に、正則性を用いた解析が可能である superpotential の量子効果を二つの方法で求めた。一つは、摂動計算に基づき量子補正項を求める方法で、もう一つはアノマリーを用いた解析手法である。
超対称性の破れが自発的ではない場合、Dijkgraaf-Vafa などによって、有効 superpotential
は行列模型や超弦理論から計算できることが知られている。我々の計算によって、超対称性が自発的に破れる場合には、新たな補正項が現れることが示された。これは、行列模型や超弦理論との関係も著しく変形されていることを表しており、非常に重要な発見であった。
2. 行列模型の分配関数の計算 (木原, 糸山, 吉岡）:
古典型（半）単純 Lie 群をゲージ群とする 4 次元 N=1 超対称 Yang-Mills 理論を 0 次元に次元縮小して得られる行列模型の分配関数を計算した。Moore-Nekrasov-Shatashivili らは、
BRST 変換を変形して分配関数を対角行列の積分に帰着させる方法を SU 群の場合に確立した。我々は、同様の方法を他の古典群に対して適用し、図形によって Weyl 群の作用を分類することで分配関数を評価した。積分計算は、留数計算に帰着するが、ある仮定の範囲で我々は積分に寄与する全ての極を見つけた。これにより、正しい多重度が得られた。我々の結果
は、先行研究によって部分的に得られていた結果とは一致しない。
3. 一般化された light-cone gauge での AdS5 × S 5 上の superstring の解析（糸山、大田、吉岡）:AdS5 × S 5 背景時空上の Green-Schwarz superstring 模型を、κ-対称性を固定して、一般化された light-cone gauge で正準形式で考察した。フェルミオンのすべての次数まで含めてきちんと取り扱い、拘束条件を考察して、Dirac 括弧を決定した。Green-Schwarz 模型の Hamilton
dynamics を、transverse な自由度を用いて書き下すことに成功した。量子化すると、拘束条件の影響で、力学変数がすべて非可換となる。演算子順序等の量子化の問題を考察するた
めに、Hofman-Maldacena 極限や Maldacena-Swanson 極限で、この模型を解析中である。
4. 高次元ブラックホール幾何学とコンパクト Einstein 空間 (安井, 大田, 濱本，宝利）:
コンパクトな Einstein 多様体および特殊ホロノミー群を持つ Riemann 多様体の幾何学をブ
ラックホールの視点から研究することを目標とした. このような幾何学は物理的には, 高次
元のゲージインスタントンそして重力インスタントンと捕らえられるものであり, 超弦理論
や M 理論の最近の進展から予想される幾何学の新しい方向を探ろうとする問題意識と深く関わっている. 特に, コンパクトな Sasaki-Einstein 多様体に関しては, 重力理論/ゲージ理論
対応を使って超対称ゲージ理論の強結合領域を調べることができるため, 最近大きな注目を集めている.
• 1986 年 Myers-Perry によって発見された Ricci 平坦な D（D≥ 4) 次元Ｋｅｒｒブラック
ホール解は, 2004 年 Gibbons-Lü-Page-Pope によって宇宙定数を持つ (Anti) de Sitter Kerr
ブラックホールに一般化された. さらに, 2006 年 Chen-Lü-Pope は質量, 角運動量, 宇宙定数に加え NUT パラメーターを含む最も一般的と思われるブラックホール解を発見した. しかしながら彼らの解析はコンピュータを使ったものであり解析的な証明は与えられなかった.

50

論文では, 曲率テンソルを計算し Einstein 方程式の解であることを証明した.
• 6 次元 de Sitter Kerr NUT ブラックホールの BPS 極限から, 新しい Calabi-Yau 計量を S 2
上の S 2 束を底空間とする複素線束上に構成した. この計量は４次元の Eguchi-Hanson 計量の自然な高次元拡張とみなすことができる. ４次元の場合のように 多重インスタントン まで一般化できるかどうかは興味深い問題である. その後, Lü-Pope によって任意偶数次元 deSitter Kerr NUT ブラックホールに一般化された. さらにごく最近, Futaki によって, Fano多様体上の複素線束上の Calabi-Yau 計量の存在証明が与えられた.
• Sasaki-Einstein 計量を持つ５次元多様体が与えられると, ブレーンタイリング（あるいはダイマー）と呼ばれる手法を用いて双対なクイバー・ゲージ理論を構成することができる .
ブレーンタイリングはトーラス上に描かれた 図形 であり, そこにはゲージ理論の情報が織り込まれている. 論文ではブレーンタイリングを使って新しい無限シリーズのクイバー・ゲージ理論を構成した. 解析において Sasaki-Einstein 計量の存在を仮定した. この計量を顕に書き下すことは今後の課題として残った. 最近, Futaki-Ono-Wang によって上記計量の存
在証明がより一般的な設定で与えられた.

5. 超対称性の自発的破れに伴って現れる南部-ゴールドストン粒子の解析（藤原）:論文 [K.F.-H.Itoyama-M.Sakaguchi;Prog. Theor. Phys. 113 (2005) 429] で予想されていたフェルミオン遷移の自由度の起源を実際に示すことに成功した。超対称性の自発的かつ部分的破れの模型において重要な役割を果たすのは「ケーラーポテンシャルによる非線形な相互作用」と「電気的及び磁気的 FI 項」であるが、これらの間にある制限をかけるような極限のもとで導出される作用が Cachazo-Douglas-Seiberg-Witten の論文の中で用いられたものと一致する。このとき、超対称性の自発的破れに伴う南部-ゴールドストン粒子は自由粒子となり、これによって上述のフェルミオン遷移の自由度が超対称性の破れの名残として現れることが示された。

教育・研究業績
著書
1.

安井幸則, 「場の理論と微分幾何学ー Einstein 計量と特殊ホロノミー多様体」,
別冊・数理科学 2006 年 10 月号 156-163.

学術論文
1. H. Itoyama and K. Maruyoshi, “U(N) gauged N = 2 supergravity and partial breaking of
local N = 2 supersymmetry,” Int. J. Mod. Phys. 21 (2006) 6191 [arXiv:hep-th/0603180].
2. H. Itoyama and T. Oota, “ The AdS5 ×S 5 superstrings in the generalized light-cone gauge,”
Prog. Theor. Phys. 117 (2007) 957-972 [arXiv:hep-th/0610325].
3. H. Itoyama, H. Kihara, R. Yoshioka “Partition Functions of Reduced Matrix Models withClassical Gauge Groups,” Nucl. Phys. B762 (2007) 285-300 [arXiv:hep-th/0609063].
4. M. Sakaguchi and Y. Yasui, “Seven-dimensional Einstein Manifolds from Tod-Hitchin Geometry,” J. Geom. Phys. 56 (2006) 2463-2479 [arXiv:hep-th/0411165].
5. M. Sakaguchi and Y. Yasui, “Notes on Five-dimensional Kerr Black Holes,” Int. J. Mod.
Phys. A21 (2006) 2331-2352 [arXiv:hep-th/0502182].
6. T. Oota and Y. Yasui, “Explicit Toric Metric on Resolved Calabi-Yau Cone,” Phys. Lett.
B639 (2006) 54-56 [arXiv:hep-th/0605129].
7. T. Oota and Y. Yasui, “New Example of Inﬁnite Family of Quiver Gauge Theories,” Nucl.
Phys. B762 (2007) 377-391 [arXiv:hep-th/0610092].

51

8. N. Hamamoto, T. Houri, T. Oota and Y. Yasui, “Kerr-NUT de Sitter Curvature in All
Dimensions,” J. Phys. A40 (2007) F177-F184 [arXiv:hep-th/0611285].
9. K. Fujiwara, “Partial breaking of N = 2 supersymmetry and decoupling limit of NambuGoldstone fermion in U(N) gauge model,” Nucl. Phys. B 770 (2007) 145 [arXiv:hepth/0609039].

国際会議会議録
1. K. Fujiwara, H. Itoyama and M. Sakaguchi: “ Spontaneous partial breaking of N = 2
supersymmetry and U(N) gauge model,” In the Proceedings of SUSY06: 14th International
Conference on Supersymmetry and the Uniﬁcation of Fundamental Interactions, Irvine,
California, 12-17 June 2006.

国際会議講演
1. 糸山浩司 “ Spontaneous Partial Breaking of Rigid and Local N = 2 Supersymmetry and theU(N) Gauge Model,” 14th International Conference on Supersymmetry and the Uniﬁcationof Fundamental Interactions (SUSY2006), Irvine, California, USA, 12-17 June 2006
2. 糸山浩司 “AdS5 × S 5 Superstrings in the Generalized Light-cone Gauge,” International
Workshop on Non-commutativity in Strings, Gravity and Field Theory, Tokyo Metropolitan University, 16-18 November 2006
3. 大田武志 “The AdS5 × S 5 superstrings in the generalized light-cone gauge,”
MSJ-IHÉS Joint Workshop on Noncommutativity, Institut des Hautes Études Scientiﬁques(IHÉS),
France, November 2006
4. 藤原和人 “Partial Breaking of N = 2 Supersymmetry and Decoupling Limit of NambuGoldstone Fermion in U(N) Gauge Model,”The Joint Meeting of Paciﬁc Region Particle Physics Communities, Sheraton Waikiki,
USA, October 2006
5. 藤原和人 “U(N) Gauge Model and Partial Breaking of N = 2 Supersymmetry,”
MSJ-IHÉS Joint Workshop on Noncommutativity, Institut des Hautes Études Scientiﬁques(IHÉS),
France, November 2006

研究会報告
1. 安井幸則：「Explicit Calabi-Yau metric from de Sitter Kerr-NUT black hole」
Proceedings of International Workshop on Fundamental Problems and Applications of
Quantum Field Theory 2006, 素粒子論研究 2007 年 4 月号（115 巻 1 号，A84）
2. 木原裕允：「Partition functions of toy matrix models」
Proceedings of International Workshop on Fundamental Problems and Applications of
Quantum Field Theory 2006, 素粒子論研究 2007 年 4 月号（115 巻 1 号，A44）
3. 丸吉一暢：「Some properties of U(N) gauge theory with partially broken supersymmetry」
Proceedings of International Workshop on Fundamental Problems and Applications of
Quantum Field Theory 2006, 素粒子論研究 2007 年 4 月号（115 巻 1 号，A65）

52

学会・研究会講演1. 安井幸則：「Kerr Black Holes and Compact Einstein Manifolds」
2006 年 4 月 東京幾何セミナー, 東京大学数理科学研究科
2. 藤原和人: 「Partial Supersymmetry Breaking and N = 2 U(N) Gauge Model with Hypermultiplets in Harmonic Superspace」
2006 年 4 月 KEK 理論セミナー, 高エネルギー加速器研究機構.
3. 大田武志: 「Explicit Toric Metric on Resolved Calabi-Yau cone」
2006 年 6 月 大阪市立大学大学院理学研究科数物系専攻基礎物理講座宇宙物理（重力理論）
グループ
4. 安井幸則: 「Kerr Black Holes and Compact Einstein Manifolds」
2006 年 8 月 幾何シンポジウム（全体講演）, 金沢大学
5. 安井幸則: 「Kerr Black Holes and Sasaki-Einstein Geometry」
2006 年 8 月 奈良女子大学集中講義
6. 藤原和人: 「Partial Breaking of N = 2 Supersymmetry and Decoupling Limit of NambuGoldstone Fermion in U(N) Gauge Model」
2006 年 9 月 弦理論と場の量子論における新たな進展, 京都大学基礎物理学研究所.
7. 大田武志: 「The AdS5 × S 5 superstrings in the generalized light-cone gauge」
2006 年 11 月 21st Nishinomiya-Yukawa Memorian Symposium on Theoretical Physics,“Noncommutative Geometry and Quantum Spacetime in Physics,” 京都大学基礎物理学研
究所, ポスター発表
8. 安井幸則: 「Explicit Calabi-Yau Metric from de Sitter Kerr NUT Black Hole」
2006 年 12 月 場の量子論の基礎的諸問題と応用, 京都大学基礎物理学研究所
9. 木原裕充: 「Partition Functions of Toy Matrix Models」
2006 年 12 月 場の量子論の基礎的諸問題と応用, 京都大学基礎物理学研究所.
10. 丸吉一暢:「Some Properties of U(N) Gauge Model with Partially Broken N=2 Supersymmetry」
2006 年 12 月 場の量子論の基礎的諸問題と応用, 京都大学基礎物理学研究所.
11. 大田武志: 「The AdS5 × S 5 superstrings in the generalized light-cone gauge」
2007 年 1 月 大阪市立大学理学研究科数理物理研究室
12. 大田武志:「The AdS5 × S 5 superstrings in the generalized light-cone gauge」
2007 年 1 月 京都大学大学院理学研究科物理学第二教室素粒子論研究室
13. 丸吉一暢，糸山浩司，米村啓:「N=2 超対称性の部分的自発的破れのダイナミクス」
2007 年 3 月 日本物理学会, 首都大学東京.
14. 藤原和人:「自発的かつ部分的に破れた N=2 超対称性の回復極限の解析」
2007 年 3 月 日本物理学会, 首都大学東京.
15. 吉岡礼治，糸山浩司，木原裕允: 「Partition Functions of Reduced Matrix Models withClassical Gauge Groups」
2007 年 3 月 日本物理学会, 首都大学東京.
16. 吉岡礼治，糸山浩司，大田武志:「一般化された光円錐ゲージに於ける AdS5 × S 5 弦とその性質」
2007 年 3 月 日本物理学会, 首都大学東京.
17. 安井幸則，大田武志: 「Explicit Calabi-Yau Metric from de Sitter Kerr NUT Black Hole」
2007 年 3 月 日本物理学会, 首都大学東京.

53

18. 大田武志，安井幸則: 「New Example of Inﬁnite Family of Quiver Gauge Theories」
2007 年 3 月 日本物理学会, 首都大学東京.
19. 宝利剛，濱本直樹，大田武志，安井幸則:「Kerr-NUT-de Sitter Curvature in All Dimensions」
2007 年 3 月 日本物理学会, 首都大学東京.
20. 藤原和人: 「自発的かつ部分的に破れた N=2 超対称性の回復極限の解析」
2007 年 3 月 KEK 理論研究会 2007, 高エネルギー加速器研究機構.
21. 糸山浩司，木原裕允，吉岡礼治: 「Partition Functions of Reduced Matrix Models withClassical Gauge Groups」
2007 年 3 月 KEK 理論研究会 2007, 高エネルギー加速器研究機構, ポスター発表.
22. 丸吉一暢:「N=2 超対称性の部分的自発的破れのダイナミクス」
2007 年 3 月 KEK 理論研究会 2007, 高エネルギー加速器研究機構.

学位論文
博士論文
1. 藤原和人：「Spontaneous Partial Breaking of N = 2 Supersymmetry in the U(N) Gauge
Model (邦題：U(N) ゲージ模型における N = 2 超対称性の自発的かつ部分的破れ)」

修士論文
1. 宝利 剛：
「高次元におけるアインシュタイン空間」
2. 米村 啓：「N = 2 超対称性の部分的自発的破れのダイナミクス」

研究助成金取得状況
1. 糸山浩司 (研究代表者)：日本学術振興会・基盤研究 (C) No.16540262 「時空・物質を生成する行列模型及び紐理論に於ける可積分性の出現」H18: 1700 千円
2. 糸山浩司 (研究分担者)：日本学術振興会・特定領域研究「超弦理論と場の理論のダイナミク
ス」A3「超弦理論による素粒子の統一理論と時空構造」
3. 安井幸則（研究代表者）：日本学術振興会・基盤研究 (C) No.17540262「高次元ブラックホール 幾何学とコンパクト Einstein 空間」H18: 1,000 千円
4. 安井幸則 (研究分担者)：日本学術振興会・基盤研究 (C) No.17540091 「ファノ多様体の組合せ論に基づいたツイスター理論の再構築」

海外出張および海外研修
1. 糸山浩司：Durham University, UK, 2006 年 8 月, London Mathematical Society Durham
Symposium, Methods of Integrable Systems in Geometry に招聘、出席。
2. 糸山浩司：UC Irvine, USA, 2006 年 6 月，SUSY2006, 14th International Conference on
Supersymmetry and the Uniﬁcation of Fundamental Interactions に出席、講演。
3. 糸山浩司：Imperial college, UK, 2007 年 1 月，A. Tseytlin 教授等との研究打合せ及びセミナー。
4. 安井幸則：University of Cambridge, UK, 2006 年 8 月, Gibbons 教授の還暦を祝うストリン
グおよび超重力理論の研究会に出席。
5. 大田武志: IHÉS, Bures-sur-Yvette, France, 2006 年 11 月, MSJ-IHES Joint Workshop on
Noncommutativity, (日本数学会 (MSJ)-フランス高等数学研究所 (IHÉS) 共催国際研究会) に出席、講演。

54

6. 木原裕充：Honolulu, Hawaii, The Joint Meeting of Paciﬁc Region Particle Physics Communities, 2006 年 10・11 月, 日本物理学会秋季大会（日米合同）に出席。
7. 藤原和人：Honolulu, Hawaii, The Joint Meeting of Paciﬁc Region Particle Physics Communities, 2006 年 10・11 月, 日本物理学会秋季大会（日米合同）に出席、講演。
8. 藤原和人: IHÉS, Bures-sur-Yvette, France, 2006 年 11 月, MSJ-IHES Joint Workshop on
Noncommutativity, (日本数学会 (MSJ)-フランス高等数学研究所 (IHÉS) 共催国際研究会) に出席、講演。

その他
1. 糸山浩司：日本学術振興会 専門委員
2. 糸山浩司：日本物理学会 2006 年度領域代表
3. 糸山浩司：大阪市立大学 COE プログラム「結び目を焦点とする広角度の数学拠点の形成」
評価対象者
4. 糸山浩司：大阪市立大学理学部物理学科 2006 年度主任
5. 糸山浩司：「場の量子論のすすめ−自然の理解に向けて−」，2006 年度公開講座講演，2006
年 4 月 10 日

55

宇宙物理研究室
石原秀樹
浜端広充
中尾憲一
三浦輝夫

教授
助教授
助教授
助手

栗田泰生(
)
富沢真也(研究生)
古崎広志(研究生)

小川浩司(D3)
柳 哲文(D3)
松野 研(D2)
甲斐智博(D1)
小林信幸(D1)
木村匡司(M2)
孝森洋介(M2)
中川利治(M1)

研究概要＜重力理論分野＞
宇宙にはさまざまな大きさのスケールがあり，また，宇宙の誕生から宇宙年齢にいたる長い歴史があります．大きな多様性をもったこの宇宙を理解することは、自然科学の重要な目的のひとつです．宇宙では、高エネルギー、高密度，強い重力場がかかわる物理現象が起こり，宇宙で起きる物理現象を研究することが、新しい物理学を開拓するひとつの原動力になります．
宇宙物理（重力）グループでは，アインシュタインの一般相対性理論を基礎として， 宇
宙における強い重力場を伴う物理的現象を重点的に研究しています．2006年度に行った研究は以下の通りです．
1.高次元時空のブラックホール
超弦理論など重力を含む統一理論では、時空が高次元であることが示唆されます．それゆえ高次元の重力理論は、理論物理学の重要なテーマの一つとして研究されています．特に近年、高次元ブラックホールの研究が世界的な規模で続いています．私たちのグループでは，高次元時空におけるブラックホールに関して以下の研究をおこないました。
1) 5次元重力理論におけるKaluza-Klein多体ブラックホール（石原、木村、富沢、松野）
これまでに求められている高次元ブラックホール解のほとんどは、それらの境界条件
として、空間的余剰次元も含めた全時空における無限遠での漸近的な平坦性を要求しています。しかし、現実的に考えて、ブラックホールから遠く離れた我々観測者の住む世
界は、経験的に4次元時空であす。現在までの研究により得られた5次元Kaluza-Kleinブラックホール（K-K BH）解は、5次元的なブラックホール近傍の領域と、そこからはるか
遠方の4次元的な領域をひとまとめに記述しています。
そこで、この解が記述する時空内でのテスト粒子や光の測地線軌道等の基本的な物理的性質を研究しました。また、このK-K BH解が、元々持つ質量や電荷といった物理量の他にも、宇宙項や角運動量等の新しい特性を持つ可能性を考慮する必要があります。その結果、Eguchi-Hanson 基底空間上に宇宙項入りの回転多体ブラックホール解を構成することができました。この解は、5次元ブラックホールの合体を記述しています。この合体に伴って、ブラックホールのホライズンのトポロジーが変化することが明らかになりました。
2)5次元ブラックホールの熱力学量（栗田、石原）
5次元のKaluza-Kleinブラックホール解は、漸近的に１つのコンパクトな余剰次元もつ56

ような４次元時空とみなせる構造になっています．重力理論では、Komar質量，AbbottDeser質量，ハミルトニアンなど，質量の定義にいろいろなものがあることが知られていますが，このブラックホール解に対しては，それぞれ異なる定義の質量は異なった値を示すので，この解は，それらの質量の違いを議論できる舞台として興味深い解であるといえます．
ブラックホールの熱力学では，質量は内部エネルギーに対応しています．我々は、歪んだホライズンをもつブラックホール解の熱力学を定式化するために余剰次元のサイズ
を一つの熱力学的変数とし，その共役な変数として重力張力を新しく導入しました．それによって，異なる定義の質量は、異なる熱力学的環境に対する熱力学ポテンシャルと理解することができ，互いにルジャンドル変換で結びつく関係にあることがわかりました．
2. 宇宙ひも（石原、中野、古崎、小川）
近年，宇宙物理や素粒子の統一理論の観点から、「広がりを持つ物体」が盛んに研究されています．これらの運動の軌跡は，時空の中の世界面と呼ばれる部分多様体で、運動を求めることは部分多様体の埋め込み方を決めることに対応します．その方程式は一般に偏微分方
程式となり、解くことは困難です．しかしながら、世界面がある種の対称性を持つ場合には常微分方程式になることが知られています．具体的には、世界面が葉層構造を持ち、各層が背景時空の等長変換群の軌道となっている場合です．このような世界面はcohomogeneityoneと呼ばれています．
1)cohomogeneity-one世界面の分類
対称性の高い時空では、部分群の構成に自由度があり、様々な等長変換群の軌道が構成できます．このおかげで多くのcohomogeneity-one世界面を得ることができます．
しかし、2つの世界面が互いに等長変換で写像される場合、それらは幾何学的に同等です．これは世界面の集合に，等長変換による同値関係が入ることを意味します．我々の研究の目的は、最大対称空間におけるcohomogeneity-one世界面を等長変換により分類することです．等長変換群の局所構造およびその作用はキリングベクトルによって決まります．よって、キリングベクトルのなす代数の分類を行うことになります．
本年はミンコフスキー時空中のcohomogeneity-onestringを分類しました．ひもの場合はキリングベクトルそのものを分類することになります．その結果、
cohomogeneity-onestringの同値類全体が7つの1-パラメータ族に分けられることが分かりました．
2)定常回転するストリングからの重力波
Minkowski時空中の定常回転するストリングはcohomogeneity-onestringの１種類であり，２つのパラメーターで特徴付けられます．定常回転するストリングの周りの重力場を線形摂動により求め，ポテンシャルモードと重力波モードを解析しました．ポ
テンシャルモードには，回転と並進の引きずり効果があること，重力波は離散的な特定の方向に放出されることが分かりました．
3. 裸の特異点：円筒対称時空の性質（中尾、栗田、森澤）
強い重力場を記述する理論の有力な候補である一般相対論によれば、巨大質量の星はその進化の最終段階で、自らが生み出す重力によって限りなく収縮していきます．この現象は重力崩壊と呼ばれ、エネルギー密度や圧力、温度、そして時空の曲率といった物理量が無限大になるʻ領域ʼが最終的に形成されます．この領域は時空の裂け目のような構造を持ち、時空特異点と呼ばれています．時空特異点は観測可能性という観点から二種類に大別すること57

ができます．一つは、我々のような観測者がそこに行かない限り見ることのできないタイプのものであり、ブラックホールはその一例です．そしてもう一つは、原理的に観測可能なタイプであり、「裸の時空特異点」と呼ばれています．円筒対称時空における重力崩壊は、よほど特殊な物質でないかぎりこの裸の特異点を形成することが知られています．2006年度は、
時間的ダストが形成する裸の特異点における境界条件を工夫することにより、ほとんど全ての測地線が完備になる時空の数値的構成に成功しました。この研究は、立教大学の原田知広
氏との共同研究です。
4. 重力波天文学（柳，古崎，中尾）
今世紀は、重力波天文学が宇宙における様々な物理現象を理解する上で、重要な役割を演じることは間違いありません．今年度は昨年度から引き続き、重力波の観測を用いて宇宙に存在するコンパクト天体の個数に制限をつける方法についての研究をおこないました．重力波は波源から我々に到達するまでに非一様に分布した物質によって重力レンズ効果を受けます．そこでコンパクト天体連星系からの重力波を用いた距離-赤方偏移関係に注目します．
この場合距離は重力波の振幅によって見積もることができます．しかし重力波が重力レンズ効果を受けた場合その振幅は変化します．その変化は重力波の波長とコンパクト天体の質量との大小関係によってそれぞれ異なります．宇宙の質量の全てが一定の質量のコンパクト天体からなるモデルで距離−赤方偏移関係のシミュレーションを行いました．波長がコンパク
ト天体の質量に比べて十分長い場合、距離-赤方偏移関係は宇宙が完全に一様な場合に一致
し、波長がコンパクト天体の質量比べて短い場合，観測される距離に有意な分散が生じることを示しました．重力波の距離-赤方偏移関係における分散から宇宙に存在するコンパクト
天体の量や質量に制限が付けられる可能性を示しました。
5. 非一様宇宙
我々の宇宙は、十分大きなスケール（3000万光年以上）で粗視化してみると、物質・輻射はほぼ一様等方に分布しています。したがって、大域的な宇宙の発展（３次元空間の体積の時間的変化）は、一様等方宇宙モデルであるフリードマンモデルで良く記述されると考えられています。しかし、小さいスケールでは、星、銀河、銀河団という構造が存在しています。
我々の宇宙は厳密にいえば非一様宇宙なのです。したがって、非一様宇宙の理論的な研究は、我々の宇宙をより深く理解するうえでとても重要な意味をもちます。
1)重力レンズ（柳、石原、中尾）
光を放出しない非一様性を観測する手段として、重力レンズ効果が注目されています。
我々の研究グループでは、Ia型超新星爆発からの光に対する重力レンズ効果に着目し、新しい非一様性観測の方法について研究を行っています。2006年度は、宇宙の物質が全てダークマターの塊からなるものと近似した宇宙モデルにおいて、マルチ重力レンズ効果のシミュレーションを行いました。その結果、増光率の分散や確率分布から、塊の大きさや密度分布についての情報が得られる可能性が示されました。
2)ホワイトホール（甲斐、柳、中尾）SFでしばしば登場するホワイトホールは、宇宙の始まりに対応するビッグバン特異点の非一様性と考えることができます。ビッグバン特異点は、宇宙が爆発的に始まった“ところ”ですが、ホワイトホールはその中でも特に爆発的な領域です。これまでに、このホワイトホールが観測可能かどうかという研究がなされてきましたが、実はホワイトホールの数学的に明確な定義は無く、上記のような非常にあやふやな定義しかありません。
ホワイトホールの明確な定義と観測可能性について研究を続けています。

58

6.膨張ボース・アインシュタイン凝縮体を用いた曲がった時空上の場の理論的効果の研究（栗田）
ボース・アインシュタイン凝縮体（ＢＥＣ）を用いた流体アナロジーの研究を行いました。
流体アナロジーとは、流体上の場を時空上の場と見なすことで曲がった時空上の場の理論を流体上で展開することで、この方法を用いて曲がった時空上の場の理論が、流体実験で検証できると期待されています。今年度は、ＢＥＣの励起を曲がった時空上の場と考えるアナロ
ジーを研究しました。そして、ＢＥＣを膨張させた場合、励起に対する超音速面が現れることを、グロス・ピタエフスキ方程式を数値的に解くことによって示しました。その結果を用いて、超音速面は励起としての音波の振動に比べて十分定常的であり、ブラックホールで知られているホーキング輻射という熱輻射と同様の現象が起こると期待されることを明らかにしました。期待される熱輻射の温度は２ナノケルビンであり将来的な実験で十分検出が可能です。

＜流体・プラズマ物理分野＞
1. 非線形磁気流体波の厳密解（浜端）
円筒内の理想プラズマ中を伝播する非線形磁気流体波について、これまで数多く厳密解を見いだしてきたが、らせん対称解について再検討した結果、見落とされていた静止流体中の波動解が存在することを明らかにした．
昨年度同様、円筒内の非理想プラズマ中を伝播する非線形磁気流体波の厳密解についても見いだすべく研究を続けている．並進対称性がある場合と軸対称性がある場合については、波動解のいくつかを見いだし、既に論文として公表しているが、昨年度に引き続き、らせん
対称性がある場合の解についても研究を行い非線形の厳密解を見いだした．近々成果を公表予定である．現在、より一般的な解を見いだすべく研究を続けている．
また、HALL 効果を考慮した MHD 方程式の非線形磁気流体波の厳密解も見いだすべく検討中であり、近々成果を公表できるものと考えている．また、昨年度に引き続き、自己重力のある、非理想の成層流体中で、温度勾配によりつくられる対流力が存在する場合の非線形
磁気流体波の厳密解についても検討中である．
2. Firehose不安定の非線形発展（浜端）
温度異方性のあるプラズマ中で生じるマクロな不安定である firehose 不安定の非線形発展について研究し、イオンの有限ラーマー半径効果を考慮した CGL 方程式を数値解析することにより、firehose 不安定の非線形の時間発展を調べている．既に、知られている非線形の解析解は不安定で、この解は現実には実現されず、実際には firehose 不安定はカオス的になっていくことを明らかにしている．昨年度に引き続き、解析解がカオス解へ移行するに当たり、乱れの磁気エネルギーの空間一様性が壊れていくことに着目し、その効果を取り入れた
基礎方程式系を導き、その方程式系を用いて、firehose 不安定の非線形発展の数値解析を行いつつある．更に、波動・粒子共鳴相互作用等運動論的効果を考慮するため、Vlasov 方程式
を用いた数値シミュレーションも検討中である．
3. 大 振 幅 Alfvén波 の パ ラ メ ト リ ッ ク 不 安 定 （ 浜 端 ）大振幅のAlfvén波は、太陽風中などで観測され、その安定性の理解が、種々のマクロな現象（太陽風の加熱や加速等）を解明する上での基礎として重要であると考えられている．理論的には、平行伝播で円偏波の大振幅Alfvén波は、安定ではなく他のゆらぎ（音波と他のAlfvén的な波）との相互作用により、パラメトリック不安定を起こし崩壊することが知られている．
しかし、これまで大振幅のAlfvén波に関する研究の殆どはMHD方程式に基づくもので、波動−粒子共鳴相互作用の効果は考慮されてこなかった．昨年度に引き続き、Vlasov方程式に59

基づいた線形解析による研究を進行中である．また、大振幅Alfvén波のスペクトルが広がっている効果についても検討している．更に、非線形発展については、数値シミュレーションの手法を用いた研究も検討中である．
4. Bump-on-tail不安定の数値シミュレーション（浜端、小村）
プラズマ中の静電波動（Langumuir 波）は、実空間1次元+速度空間1次元の2次元 VlasovPoisson 方程式系を用いて古くから解析されているが、その非線形的振る舞いについてはい
まだ未解決の問題が多く残されている．分布関数が Maxwell 分布のような単調減少するような分布の場合は、Langumir 波は必ず減衰するが、分布のすそにコブを持つような分布の場合
は、波と粒子の共鳴相互作用が逆の形で働き、相対的に粒子から波にエネルギーを与えることになり、波が指数関数的に増幅する不安定が起こることが知られている．
本研究では,そのようなプラズマ中の代表的な静電的不安定性の一つである Bump-on-tail
不安定の非線形段階での解析を数値シミュレーションの手法で行ったものである．Valentiniらが行った Lagrangian 数値解析手法を bump-on-tail 不安定に適用し、それが到達する準定
常状態（準定常ホール構造）がどのような粒子の振る舞いによって実現されているかを明らかにした．解析の結果、O'Neil の非線形理論通りに不安定は飽和し準定常状態に到達するが、この状態はポテンシャル井戸に常に補足されている粒子によって実現されているわけではなく、捕捉と非捕捉を繰り返す粒子によって維持されていることが確認された．更に、シミュレーションの時間および空間サイズを大きくとった計算を行うことにより、電子ホール（位相空間渦）の衝突・合体の構造が明らかになった．その過程を通じて非線形波のエネル
ギーが減少し、再び粒子にエネルギーが移行する（高エネルギー粒子が増す）ことがわかった．
5. 多自由度力学系における時空カオス（三浦）
地球磁場の生成モデルとして研究されてきた力武モデルを高次元に拡張したものは、高次元カオスの代表的なモデルの一つである．高次元アトラクタの構造を調べることで、複雑な軌道の中にみられる規則性を調べることができる．
昨年度に引き続き、このような中間自由度系や多自由度力学系でのカオスへ至る道を、数値計算を実行することで明らかにしている．
6. 情報処理教育用LANシステムでの電子テキストデータベースの構築（三浦）従来より、学術情報総合センターシステム上で、電子テキストデータベースを構築していた．本年度もこのシステム上で継続して構築している．

教育・研究業績
学術論文
1. Shinya Tomizawa and Naoto Nozawa, “Vacuum solutions of five-dimensional Einstein equations
generatedby inverse scattering method. II. Production of black ring solution”, Physical Review D
73, 124034 (2006).
2. Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Ken Matsuno and Shinya Tomizawa, “Black Holes on EguchiHanson Space in Five-Dimensional Einstein-Maxwell Theory”, Physical Review D 74, 047501(2006).
3. Shinya Tomizawa, Hideo Iguchi and Takashi Mishima, “Relationship between solitonic solutions of
five-dimensional Einstein equations”, Physical Review D 74, 104004 (2006).

60

4. Hideki Ishihara, Masashi Kimura and Shinya Tomizawa, “Topology Change of Coalescing Black
Holes on Eguchi-Hanson Space”, Classical and Quantum Gravity 23, L89 (2006).
5. Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Ken Matsuno and Shinya Tomizawa, “Kaluza-Klein Multi-Black
Holes in Five-Dimensional Einstein-Maxwell Theory”, Classical and Quantum Gravity 23, 6919
(2006).
6. Daisuke Ida, Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Ken Matsuno, Yoshiyuki Morisawa and Shinya
Tomizawa, “Cosmological black holes on taub-NUT space in five-dimensional Einstein-Maxwell
theory”,

Classical and Quantum Gravity 24, 3141 (2007).

7. Hideki Ishihara, Ken Matsuno, “ Kaluza-Klein black holes with squashed horizons”, Progress ofTheoretical Physics 116, 417 (2006).
8. Nobuyuki Sakai, Ken-ichi Nakao and Hideki Ishihara, “Is it possible to create a universe out of amonopole in the laboratory?”, Physical Review D 74, 024026 (2006).
9. Ken-ichi Nakao, Yasunari Kurita, Yoshiyuki Morisawa and Tomohiro Harada, Progress ofTheoretical Physics 117, 75 (2007).
10. Chul-Moon Yoo, Ken-ichi Nakao, Hiroshi Kozaki and Ryuichi Takahashi, “Lensing effects on
gravitational waves in a clumpy universe; effects of inhomogeneity on the distance-redshift
relation”, Astrophysical Journal 655, 691 (2007).
11. Tomohiro Kai, Hiroshi Kozaki, Ken-ichi Nakao, Yasusada Nambu and Chul-Moon Yoo, “Can
inhomogeneities accelerate the cosmic volume expansion?”, Progress of Theoretical Physics 117,
229 (2007).
12. Hiromitsu Hamabata,, “Nonlinear helically symmetric hydromagnetic waves in a plasma
filled cylindrical waveguide”, Physics of Plasmas 14, 054506 (2007).
国際会議会議録
1. Yasunari Kurita, “Thermodynamics of Kalza-Klein black hole”, 16th JGRG workshop, 東京
工業大学 p.309.
2. Chul-Moon Yoo, “Research of the nature of dark matter via the lensing effects to highredshift type Ia supernovae observation”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.107.
3. Ken Matsuno, “Deformated horizons and singularities in five dimensional charged black holes”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.139.
4. Kouji Ogawa, “Gravitational radiation from stationary rotating cosmic strings”, 16th JGRG
workshop, 東京工業大学 p.159.
5. Hirozhi Kozaki, “Classification of cohomogeneity-one membranes”, 16th JGRG workshop,
東京工業大学 p.189.
6. Hideki Ishihara, “Inner structure of Kaluza-Klein black holes”, 16th JGRG workshop, 東京
工業大学 p.221.
7. Ken-ichi Nakao, “Numerical study of naked singularity”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.241.
8. Hiroyuki Nakano, “Gravitational self-force for low multipole modes”, 16th JGRG workshop,
東京工業大学 p.281.

61

9. Shinya Tomizawa, “Solitonic solutions of five dimensional vacuum Einstein equations
generated by the inverse scattering method”, 16th JGRG workshop, 東京工業大学 p.289.
国際会議講演1. Yasunari Kurita, “Thermodynamic quantities of Kaluza-Klein black holes with squashedhorizons”, The 11th Marcel Grossmann Meeting on General Relativity, Berlin自由大学,
Germany 2006年7月.
2.Chul-MoonYoo,Ken-ichiNakao,HiroshiKozakiandRyuichiTakahashi,“Lensingeffe
ctsongravitationalwavesinaclumpyuniverse”,The11thMarcelGrossmannMeetingonGeneralRelativity,Berlin自由大学,Germany2006年7月.
3. H.Ishihara,M.Kimura,K.Matsuno,andS.Tomizawa,“Kaluza-KleinBlackHolesin5-DimensionalEinstein-MaxwellTheory”, The 11th Marcel Grossmann Meeting on
General Re
lativity, Berlin自由大学, Germany 2006年7月.
4. Tomohiro Kai, “Can inhomogeneities accelerate the cosmic volume expansion?”, 17th JGRG
workshop, 新潟大学 2006年11月27日~12月1日.
5. Shinya Tomizawa, “Coalescing black holes on Eguchi-Hanson space”, 17th JGRG workshop,
新潟大学 2006年11月27日~12月1日.
6. Chul-Moon Yoo, “Gravitational lensing effects on type Ia supernovae”, 17th JGRG workshop, 新潟大学 2006年11月27日~12月1日.
7. Ken-ichi Nakao, “Relativistic gravitational collapse of cylindrical dust”, 17th JGRG workshop, 新潟大学 2006年11月27日~12月1日.
8. Kouji Ogawa, “Adiabatic evolutions of stationary rotating cosmic strings”, 17th JGRG workshop, 新潟大学 2006年11月27日~12月1日.
9. Hiroshi Kozaki, “Bianchi type I brane in the 5-dim AdS spacetime”, 17th JGRG workshop,
新潟大学 2006年11月27日~12月1日.
10. Yasunari Kurita, “Mass, tension and thermodynamics of Kaluza-Klein black holes”, 17th
JGRG workshop, 新潟大学 2006年11月27日~12月1日.
学会・研究会講演
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

栗田泰生，石原秀樹：「５次元Kaluza-Kleinブラックホール解析解の熱力学２」日本物理学会2006年秋季大会
松野研，石原秀樹，富沢真也，木村匡志：「Kaluza-Kleinブラックホールの質量」日本物理学会2006年秋季大会
富沢真也，石原秀樹，木村匡志：「Cosmological black holes on Eguchi-Hanson space」
日本物理学会2006年秋季大会
野沢真人，富沢信也：「逆散乱法を用いたブラックリング解の構成」日本物理学会2006
年秋季大会
木村匡志，石原秀樹，松野研，富沢真也：「Kaluza-Klein多重ブラックホール」日本物理学会2006年秋季大会
浜端広充，小村信幸：「Buｍp-on-tail不安定の数値シミュレーション：電子ホールの形成・維持について」日本物理学会2006年秋季大会
松野研，石原秀樹，富沢真也，木村匡志 :「Gibbons-Hawking空間上の宇宙項入り回転多体ブラックホール解」日本物理学会2007年春季大会
柳 哲文，石原秀樹，中尾憲一：「Ia型超新星を用いた宇宙の非一様性探査」日本天文学会2006年秋季年会
栗田泰生，石原秀樹：「５次元Kaluza-Kleinブラックホール解析解の熱力学３」日本物理学会2007年春季大会

62

10. 浜端広充，小村信幸：「Buｍp-on-tail不安定の数値シミュレーションⅡ：準定常モデ
ル分布関数の解析」日本物理学会2007年春季大会
11. 栗田泰生：「膨張ボーズ・アインシュタイン凝縮体での時空アナロジー」
Open Workshop on Photosythetic Antennae and Coherent Phenomena
12. 栗田泰生：「Thermodynamics of twisted Kaluza-Klein black holes」第８回特異点研究会
学習院大学 2007年1月6日~8日
13. 中尾憲一：「Relativistic gravitational collapse of cylindrical dust」第８回特異点研究会
学習院大学 2007年1月6日~8日
14. 木村匡志：「Kaluza-Klein Multi-Black Holes」第８回特異点研究会 学習院大学 2007
年1月6日~8日
15. 富沢真也：「Coalescing black holes on Eguchi-Hanson space」第８回特異点研究会 学
習院大学 2007年1月6日~8日
16. 柳 哲文：「DECIGOによる宇宙の非一様性探査」スペース重力波アンテナ(DECIGO)ＷＧ
第４回ミーティング国立天文台2006年5月
その他
1. 石原秀樹：出張授業「ブラックホールの物理学」岸和田高校高校2006年10月21日
2. 石原秀樹：出張授業「ブラックホールの物理学」奈良高校2006年11月15日
3. 石原秀樹：出張授業「相対性理論と重力の謎」東大寺学園高校2007年1月27日
4.三浦輝夫：「情報処理教育用電子テキストデータベース」
ocunes(Osaka City Univ. Network System), 1990-2006

学位論文
修士論文
1. 木村匡志：「コンパクトな余剰次元をもつ５次元多体ブラックホール」
2. 孝森洋介：「ブラックホール磁気圏」
博士論文
柳哲文：「Gravitational Lensing in a Clumpy Universe」

研究助成金取得状況
1.
2.

石原秀樹：学術振興会・基盤研究(B)(2)（分担）「超弦理論の宇宙論による検証」
中尾憲一：学術振興会・基盤研究(C)(2)（代表）「高次元重力理論における位相欠陥の重力崩壊とその安定性に関する理論的研究」
3. 中尾憲一：学術振興会・基盤研究(B)(1)（分担）「高次元時空理論の実験的・観測的検証可能性の研究」

海外出張および海外研修
1. 石原秀樹：ドイツ・Freie大学，2006年7月，第11回 Marcel Grossmann Meeting on General
Relativityに参加，発表及び研究交流
2. 栗田泰生：ドイツ・Freie大学，2006年7月，第11回 Marcel Grossmann Meeting on General
Relativityに参加，発表及び研究交流
3. 柳 哲文：ドイツ・Freie大学，2006年7月，第11回 Marcel Grossmann Meeting on General
Relativityに参加，発表及び研究交流63

原子核理論研究室
櫻木 弘之
有馬 正樹
古本 猛憲

教授
助教授
(D1)

平尾 大輔 (M2)山本 孝子 (M2)岡本 誠一 (M1)中村 祥一 (M1)

研究概要
1. πN → ππN 反応に対する核子共鳴 N(1520) の寄与（平尾、有馬、鎌野（阪大理））
πN 散乱の解析で見出される核子の共鳴状態の研究は、核子の内部構造を明らかにするための重要な手がかりである。特に、πN →ππN 反応の解析は πN 弾性散乱の解析と並ぶ貴重な情報源である。それは、この反応がπN 散乱における最大の非弾性チャ
ンネルであり、多くの共鳴状態がππN状態に崩壊するからである。これまでの研究で、この反応に対するΔ(1232) や N(1440) の寄与が定量的に見積もられ、それらの役割の重要性を指摘した。本研究は、それを発展させて、新たに N(1520) という共鳴状態を考慮したものである。反応の微分断面積などを評価することにより、N(1520) の寄与が期
待通りに大きいことがわかった。また、このことを踏まえて、N(1520) が関わる反応の強さを定量的に評価することができた。
2. JLMタイプの複素Ｇ行列有効核力を用いた4Heと核の弾性散乱の研究（古本、櫻木）
昨年度に着手した、JLMタイプの複素Ｇ行列有効核力を用いた原子核間相互作用の研究を継続して行った。具体的には、この相互作用模型を用いて4Heと種々の原子核、および、16O+16O 間の複素光学ポテンシャルを理論的に計算し、それらを用いた弾性散乱の解析を行い、模型の有効性と問題点の分析を研究を行った。特に、局所密度の評価の仕方
による相互作用の強さや形状の違いの詳細な分析を行った。また、従来用いられてきた
古いJLM有効核力が、密度依存性を密度の３次関数で表現しているため、複合核間相互作用で重要な高密度領域で異常な振る舞いをすることを指摘し、高密度領域へも拡張可
能な新しい関数表現をした改良型JLM相互作用を開発した。
3. 新しい複素Ｇ行列有効核力を用いた陽子弾性散乱の研究（古本、山本(都留文科大)、櫻木）
吸収項も含めた原子核間相互作用を核力レベルから微視的に構築する有効な模型として、複素Ｇ行列有効核力を用いたfolding modelは、光学ポテンシャルの実験情報が皆無
である不安定核の核反応・核構造研究に極めて重要な役割を果たすことが期待されている。特に、理研で2007年度以降に運用が開始される予定のRIBF施設での、多くの不安定
核と陽子との反応実験の理論的解析を通じての核構造研究には、この微視的相互作用理論の確立が不可欠である。特に、RIBFのエネルギー領域では、スピン・軌道力の役割が重要であることが予想され、JLMタイプのような中心力で単一レンジの簡便な相互作用は信頼性に疑問がある。そのため、ハイペロンも含めたハドロン間相互作用研究の中で最近開発されたESC核力を用いて、スピン・軌道力成分も含む、新しいタイプのＧ行列
相互作用を開発し、その有効性を、陽子と種々の原子核（現段階では安定核）に適用す
べく、folding相互作用の計算手法の開発を行った。まだ、完成段階ではないが、試験的に行った幾つかの陽子―原子核弾性散乱の分析では、従来のJLMタイプや、より現実的で信頼性があるとされたCEGタイプの相互作用(Miyazaki G行列)を用いた結果に比べて、実験結果の再現性が大きく向上していることが示された。

64

4. di-neutron模型に基づく偏極陽子－6He 弾性散乱実験の理論的分析（山本孝子、櫻木）
最近、東大CNSの実験グループによって、偏極陽子と不安定核との散乱実験（具体的には偏極陽子－6He 弾性散乱）が世界で始めて、理研の不安定核施設を用いて行われ、不安定核散乱での偏極物理量が始めて測定された。その偏極測定値は、同じ質量の安定核との散乱（偏極陽子－6Li 弾性散乱）の非常に異なっており、folding model での予想
とも、符号も含め大きく異なっていることが判明した。この原因を究明するため、6He核の持つ4He+n+n 三体クラスター構造の効果および6He→4He+n+n分解反応過程の効果を、
di-neutron模型と断熱反跳近似を用いて分析した。これは、6He中の二つの中性子(n+n)を、仮想的な二中性子クラスター(di-neutron)とみなす「di-neutron模型」であるが、本来 6He
が4He+n+nという三体クラスター的な構造を持つことを反映するような拘束条件を課すことで、従来の単純な「di-neutron模型」のもつ重大な欠点（すなわち6Heのサイズが必然的に実験値より大きくなってしまうという欠点）を改善することに成功し、こうして構築した信頼性のある「di-neutron模型」を用いて、陽子と 6Heとの光学ポテンシャルを
cluster-folidng model に基づいて求め、更に、6He→4He+n+n分解反応過程の効果を断熱反跳近似で評価することにより、実験で観測された偏極陽子－6He散乱の偏極量の特徴を、定性的に再現することに成功した。また、6Heの4He+n+n三体構造やdi-neutronのサイズの影響が観測量にどのように反映するかを明らかにした。

教育・研究業績
学術論文
1. T.Furumoto, and Y.Sakuragi,“Application of the Jeukenne-Lejeune-Mahaux folding model to α-nucleus elastic scattering”,
Phys. Rev. C 74, 034606-1 – 034606-8 (2006)
2. T. Furumoto, and Y. Sakuragi,“
Application of JLM folding model to alpha-nucleus scattering”,
Modern Physics Letters A 21, (2006) 2439-2446
3. M. Takashina and Y. Sakuragi,“α+12C inelastic angular distribution and nuclear size of 12C(02+ ) ”,
Phys. Rev. C 74, 054606-1 – 054606-5 (2006)
4. M. Takashina and Y. Sakuragi,“Analysis of $^{12}$C(α ,α') using α condensate model wave function”
Modern Physics Letters A 21 (2006) 2341-2346
国際会議講演
1. H. Kamano, M. Arima：“Study of N(1440) and σ meson in the πN→ππN reaction”, Gordon
Research Conference, “Photonuclear Reactions”, Tilton NH, USA, Aug 2006. (Poster)
2. H. Kamano, M. Arima：“Study of N(1440) and σ meson in the πN→ππN reaction”,
YKIS2006, “New Frontiers in QCD-Exotic Hadrons and Hadronic Mater”, Kyoto, Japan, Dec
2006. (Poster)
3. T.Furumoto, Y.Sakuragi, “Application of JLM folding model to alpha-nucleus scattering”, Osaka
Spring Workshop on Cluster Condensation and Nucleon Correlation in Nuclei,
Apr.26-28,2006, RCNP Osaka University, Osaka (talk)
学会・研究会講演
1. 鎌野寛之、有馬正樹：「πN→ππN 反応を介した Roper 共鳴およびσ中間子の研究」
日本物理学会分科会（2006年9月20－23日、奈良女子大学）
2. 古本猛憲、櫻木弘之「複素G行列相互作用に基づく核反応研究Ⅰ」
日本物理学会分科会（2006年9月20－23日、奈良女子大学）

65

3.
4.

5.

6.

7.

8.

古本猛憲、櫻木弘之、山本安夫「複素G行列相互作用に基づく核反応研究Ⅱ」
日本物理学会分科会（2007年3月25－28日、首都大学東京）
櫻木弘之「Analysis of elastic scattering of polarized proton by 6He based on di-neutron model」
理研ワークショップ「Theoretical description of elastic scattering of proton by unstable nuclei
based on two-nucleon force」(2006年3月2日) （2005年度の記載漏れ分）
古本猛憲「Microscopic proton-nucleus optical potentials based on the folding model with newcomplex G-matrix interactions」
理研ワークショップ「Theoretical description of elastic scattering of proton by unstable nuclei
based on two-nucleon force」(2006年3月2日)（2005年度の記載漏れ分）
櫻木弘之「Folding model approach to nucleus-nucleus interactions and applications to nuclear
reaction studies」
理研ワークショップ「Elastic scattering of unstable nuclei」 (2006年6月23‐24日)
古本猛憲「Microscopic optical potential based on the folding model with complex G-matrix
interactions: JLM and CEG」
理研ワークショップ「Elastic scattering of unstable nuclei」 (2006年6月23‐24日)
古本猛憲「JLM複素Ｇ行列有効核力を用いたα－原子核弾性散乱の研究」
法政大学物理セミナー(2006年：日時不詳)

その他
1. 櫻木弘之：北海道大学大学院・理学研究科特別講義（集中講義）「直接過程核反応の理論」（2006年8月30日－9月1日）
2. 櫻木弘之：物理出張授業「大学の物理学科では何を学ぶのか」（三重県立上野高等学校、2006年7月7日）
3. 櫻木弘之：物理出張授業「元素のふるさとは宇宙！」（大阪府立門真なみはや高等学校、2006年7月19日）
4. 櫻木弘之：物理出張授業「大学の物理学科では何を学ぶのか」（大阪府立春日丘高等学校、2006年11月8日）
5. 櫻木弘之：物理出張授業「元素のふるさとは宇宙」（洛星高等学校、2006年11月25日）

学位論文
修士論文
1. 平尾大輔：「πN→ππN 反応における N(1520) の寄与」
2. 山本孝子：「di-neutron 模型に基づく 6He 原子核の構造と陽子‐6He 散乱の研究」

66